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太平洋底部发现630万年前不该有的东西,究竟是什么?

太平洋是地球上最大最深的海洋,其面积占到地表的三分之一,平均深度达到了3970米,很多区域都是人类未曾探测过的。根据《科学》(Science)杂志刊载的一项新研究[1],在太平洋下方1600米(约1英里)的岩石中,科学家发现了630万年前不该有的东西――铁-60(Fe-60)和钚-244(Pu-244),它们都不是来自于地球。

铁是地球上非常丰富的元素,在地壳元素占比中位列第四(4.75%),地球中心还是一个大铁球,但为什么这次发现的铁-60不是来自于地球上的呢?钚-244又有什么特别之处呢?

目前,元素周期表中已经有118元素,其中94种元素存在于自然界中,其他元素则是通过人工合成出来的。那么,地球上本来就存在的元素是来自于哪里呢?

自然元素在地球诞生之初就已经存在了,其中1号元素氢、2号元素氦和3号元素锂是来自于138亿年前的宇宙大爆炸,28号元素镍及其之前的其他元素主要来自于恒星内部的核聚变反应,另外更重的元素则是来自于超新星这样的宇宙高能事件。这些元素构成了地球上的万物,也包括人类,所以我们从某种意义上来说皆为星尘。

铁是26号元素,大质量恒星的核聚变反应终点,它们的出现会打破恒星内部的流体静力学平衡,从而引爆超新星。铁原子核中存在不同数量的中子,其同位素多达34种,但只有四种是稳定的,其中最多的是铁-56。

铁-60的原子核比铁-56多出了4个中子,这使其变得很不稳定,非常容易发生衰变,半衰期只有260万年。地球形成至今已经长达45亿年,如果地球诞生之初就有铁-60,那么,它们早就在地球漫长的历史长河中衰变完了。如果在自然界中发现铁-60,它们必定是在不久的过去才来到地球上。

另一方面,94号元素钚是一种超铀元素,它们是天然存在最重的元素。其同位素之一的钚-244半衰期为8000万年,这意味着它们也早已在地球上衰变殆尽。如果地球上现在还有钚-244,它们一定是来自于天外。

此次铁-60和钚-244的发现得益于日本一家石油勘探公司,他们当时在太平洋一处海底进行钻探,挖到了地壳下面1.6公里深的岩石。经过科学家的鉴定,确认发现了铁-60和钚-244。但数量极其稀少,就连毫克都没法论,仅有几百个原子。

尽管如此,这个发现仍然让科学家感到激动。这两种罕见放射性元素的发现,意味着它们都是外星物质。那么,它们究竟来自宇宙中的哪里呢?

这两种元素的来源并不简单,它们都是起源于一种惊人的宇宙灾难事件――超新星爆发。虽然太阳内部也在进行核聚变反应,但对于太阳这样的中低质量恒星,没有能力合成出铁这样的重元素。只有质量高于太阳8倍的大质量恒星,最终才会合成出铁。这些大质量恒星最后会爆发成超新星,瞬间释放出太阳一生所能产生的巨大能量,由此继续合成更重的元素。

天文学家推测,大约630万年前,距离地球大约250光年的地方出现了超新星爆发,该超新星合成出了大量的重元素。随着爆炸的冲击波,这些重元素被散播到宇宙各处,其中一些来到地球上,并在太平洋底部不断沉积。当时,这颗超新星极其明亮,如果那时地球上有人类,他们在白天直接用肉眼就能看到它。

此外,先前发现1.3亿光年外两颗中子星的碰撞事件表明,这种比超新星更剧烈的宇宙事件也会合成出重元素,钚-244这样的超铀元素可能主要来自于此。

但不管怎样,这项发现再一次提醒,我们都曾是上一代大质量恒星的一部分,我们都是来自星尘。

参考文献

[1] A. Wallner, M. B. Froehlich, M. A. C. Hotchkis, et al. 60Fe and 244Pu deposited on Earth constrain the r-process yields of recent nearby supernovae, Science, 2021, 372, 742-745.