Cosmogenic isotopes in the lunar soil: solar activity and nearby Supernova outbreak

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Протоны и альфа-частицы из локального межзвездного пространства взаимодействует с магнитным полем Солнечной системы. На орбите Земли это проявляется в изменении потока космических лучей (КЛ) с энергиями менее 10 ГэВ/нуклон и зависит от активности Солнца. Изучение отношения содержания изотопов ¹⁴С/¹²C в датируемых кольцах деревьев и других архивах показало существование в прошлом периодов с пониженной активностью и продолжительностью в несколько солнечных циклов типа маундеровского минимума. Луна является интегральным детектором излучения. При постоянном среднем потоке КЛ содержание образующихся в ее грунте радиоактивных изотопов находится в динамическом равновесии, т.е. число образующихся радионуклидов равно числу распадающихся. Стандартный метод согласования теоретических и экспериментальных данных подразумевает использование в качестве свободного параметра среднего модуляционного потенциала Φ(t) за время нескольких периодов полураспада соответствующего радионуклида. Глубинный ход его концентрации (до сотен г/см²) определяется формой спектра галактических КЛ (ГКЛ), тогда как вклад солнечных КЛ (СКЛ) проявляется на глубинах менее ~10 г/см² [1–3]. Наличие близких локальных источников может дать дополнительный вклад помимо “основного” потока ГКЛ. В работе [4] на основе анализа данных эксперимента PAMELA по содержанию изотопов углерода в ГКЛ делается вывод, что возможный источник ядер ¹⁴C не может находиться ближе 190 пк, и взрыв сверхновой не мог произойти ранее 73 тыс. лет назад. Анализ концентрации более долгоживущего изотопа в грунте Луны, ¹⁰Be (период полураспада ~1.4∙10⁶ лет), позволяет определить интенсивность потока КЛ и возможность взрыва близкой сверхновой на временном масштабе нескольких миллионов лет. Нами был проведен расчет генерации различных радионуклидов при взаимодействии протонов и альфа-частиц КЛ с лунным грунтом с помощью пакета GEANT4.10. Ранее эта методика была применена для вычисления изменения изотопного состава грунта Марса и Луны [5–7] и солнечного ветра во время солнечных вспышек [8]. В настоящей работе расширен ряд анализируемых радионуклидов и, соответственно, расширен временной диапазон происходящих событий.

СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ

Используемые нами экспериментальные данные получены при анализе состава лунного керна, доставленного экспедицией Аполлон-15. Расчеты проводились для изотропного падения первичных частиц с заданной энергией на поверхность. Фиксировалась глубина образования интересующих нас изотопов в каждом акте ядерного взаимодействия как первичных частиц, так вторичных. В дальнейшем проводилась свертка энергетической зависимости выхода изотопа со спектром падающих частиц. Наши расчеты дают более высокие концентрации всех изотопов по сравнению с измеренными, при этом хорошо совпадая по форме. Вероятное объяснение такого результата – повышенный выход вторичных частиц в GEANT4.10. На такую же проблему указывают и другие работы [9–11], т.к. вычисленный поток нейтронов в лунном грунте превышает измеренный примерно в 2 раза [11].

Измерения концентрации радиоуглерода в земных архивах с учетом палеомагнитных и палеоклиматических данных позволяют восстановить временной ход модуляционного потенциала, Φ(t), за последние 19000 лет [12]. Среднее значение Φ(t) при этом равно 360±20 МВ. Использование восстановленных значений модуляционного потенциала в расчетах образования ¹⁴С в лунном грунте дает превышение расчетных значений по сравнению с экспериментальными данными в 1.6 раз. Поправка (Y₀), обусловленная учетом завышенного выхода вторичных частиц, приводит к согласованию эксперимента с расчетами. Этот подход может быть применен также для долгоживущих изотопов ²⁶Al (T_1/2=0.74·10⁶ лет), ¹⁰Be (T_1/2=1.4·10⁶ лет) и ⁵³Mn (T_1/2=3.7·10⁶ лет). В работе [12] авторы для расчетов профиля концентрации ²⁶Al постулировали время облучения образца 1 млн лет, в то время как равновесное значение достигается через 3–4 периода полураспада. Это приводит к уменьшению концентрации изотопа, поэтому в работе [12] не было необходимости введения дополнительного корректирующего множителя Y₀. Наша оценка Φ(t)=480 МВ согласуется с полученным этими авторами значением Φ(t)=496 МВ, что соответствует среднему уровню солнечной активности в течение последних 2 млн лет. Использование поправки позволяет также лучше описать экспериментальную кривую. На рис. 1 приведены результаты анализа данных по ¹⁰Be, на рис. 2 – по ⁵³Mn. Для ¹⁰Be экспериментальные данные невозможно объяснить без привлечения дополнительного источника КЛ c более жестким по сравнению с современным спектром ГКЛ. Таким источником могла быть вспышка близкой сверхновой [13]. Следы подобного события обнаружены в донных океанических отложениях с возрастом около 2.5 млн лет и в лунном грунте в виде изотопа ⁶⁰Fe с периодом полураспада 2.6 млн лет. Этот изотоп возникает исключительно при взрывах сверхновых звезд и в дальнейшем осаждается в атмосфере Земли с межзвездной пылью. Кроме того, взрыв сверхновой приводит к ускорению протонов на ударных волнах до высоких энергий со спектром более жестким, чем спектр современных ГКЛ. В этом случае в Солнечной системе произойдет резкий рост потоков частиц без значительного искажения их спектра, имеющего место за счет рассеяния на магнитных неоднородностях и ядерных взаимодействий в межзвездном пространстве. Учет этого дополнительного импульсного вклада от сверхновой ~2.5 млн лет назад позволяет согласовать результаты расчетов с экспериментальными данными при том же среднем модуляционном потенциале, как и для ²⁶Al, но на шкале до 4 млн лет (рис. 1). КЛ от сверхновой должны также дать существенный вклад в образование более долгоживущего изотопа ⁵³Mn в лунных породах. Для него с учетом дополнительного источника на рис. 2 наш модельный расчет показывает хорошее согласие с экспериментальными данными при среднем модуляционном потенциале, сходном с полученным для ²⁶Al на шкале около 10 млн лет.

 

Рис. 1. Глубинные профили наведенной активности (A, число распадов в мин. на кг) ¹⁰Ве: точки – экспериментальные данные [1], 1 – от ГКЛ, 2 – от вспышки сверхновой, 3 – сумма

 

Рис. 2. Глубинные профили наведенной активности (A, число распадов в мин. на кг) ⁵³Mn: точки – экспериментальные данные [2], 1 – от ГКЛ, 2 – от вспышки сверхновой, 3 – сумма

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, проведенный анализ глубинного хода различных изотопов с периодом полураспада менее миллиона лет в лунном грунте приводит к среднему значению модуляционного потенциала ~500 МВ на временной шкале ~2 млн лет. В то же время объяснение глубинного профиля более долгоживущих изотопов ¹⁰Ве и ⁵³Mn при том же значении потенциала невозможно без привлечения дополнительного источника КЛ, имеющего жесткий энергетический спектр ~E^-1.7. Такие спектры могут быть результатом взрыва близкой сверхновой, ускоренные энергичные частицы от которой достигли Луны. Абсолютные значения концентрации образованного в грунте ¹⁰Ве приводят к ограничениям на параметры этого взрыва: полную его энергетику в КЛ и расстояние до сверхновой, а также на показатель спектра ускоренных частиц. Наши оценки приводят к следующим результатам. При минимальной оценке трансформации энергии взрыва в энергию КЛ (10%) полная энергия должна быть порядка Е~10⁵²–10⁵⁴ эрг при расстоянии до сверхновой 10–40 пк и жестком спектре частиц. В этом случае момент достижения Луны ускоренными частицами оценивается примерно 2–3 млн лет назад, а продолжительность такого события составляет ~10³–10⁴ лет. Это соответствует данным по ⁶⁰Fe, обнаруживающим его увеличенное содержание как раз в этот период времени в донных отложениях.

About the authors

G. I. Vasilyev

Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: gennadyivas@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg

A. N. Konstantinov

Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University

Email: gennadyivas@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg

V. M. Ostryakov

Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University

Email: gennadyivas@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg

A. K. Pavlov

Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: gennadyivas@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg

D. A. Frolov

Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: gennadyivas@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files