Radiation simulation of ⁶⁰Fe in lunar regolith decay

Tief in der Geschichte unseres Sonnensystems gibt es Momente gewaltsamer Transformation, die unsichtbare Fingerabdrücke hinterlassen. Wenn ein massereicher Stern das Ende seines Lebens erreicht und als Supernova explodiert, fungiert er als kosmische Schmiede, die schwere Elemente erschafft und sie über die Galaxie schleudert. Eines dieser Elemente ist Eisen-60, eine seltene und radioaktive Variante von Eisen, die auf der Erde nicht in nennenswerten Mengen natürlich vorkommt. Da dieses Isotop über Millionen von Jahren mit einer stetigen, bekannten Rate zerfällt, dient es Astronomen als präzise Uhr. Wenn innerhalb der letzten paar Millionen Jahre eine Supernova relativ nah an unserem Sonnensystem stattgefunden hat, wäre der Schutt dieser Explosion in die Umgebung geregnet, einschließlich des Mondes. Im Gegensatz zur Erde, wo Wind, Wasser und sich verschiebende tektonische Platten die Oberfläche ständig recyceln und solche antiken Aufzeichnungen auslöschen, ist der Mond seit Milliarden von Jahren geologisch ruhig geblieben. Seine staubige Oberfläche, bekannt als Regolith, fungiert als ein unversehrtes Archiv, das eine Schicht dieses extraterrestrischen Eisens bewahrt, das vom Himmel fiel.

Ein Team von Forschern der Xizang University und des Xizang Museum of Natural Science machte sich kürzlich daran zu verstehen, wie stark genau das Signal ist, das dieses vergrabene Eisen aussendet. Wenn Eisen-60 zerfällt, setzt es Energie in Form von Gammastrahlen frei, bei denen es sich um hochenergetische Lichtteilchen handelt. Die Wissenschaftler wollten wissen, ob diese Strahlen die staubige Oberfläche des Mondes durchbrechen und den Weg bis zur Erde zurücklegen könnten, wo unsere Teleskope sie vielleicht auffangen könnten. Um die Antwort zu finden, erstellten sie ein detailliertes Computermodell, das die Reise dieser Gammastrahlen simuliert, während sie versuchen, sich durch den Mondboden zu kämpfen. Sie berücksichtigten die Dicke der Staubschicht, die Dichte des Bodens und die spezifische Energie der Strahlen und berechneten dabei, wie viele von ihnen vom Boden absorbiert werden versus wie viele es erfolgreich in den Weltraum schaffen würden.

Die Simulation zeigte einen drastischen Unterschied zwischen den niederenergetischen und den hochenergetischen Strahlen auf. Der Zerfall von Eisen-60 erzeugt drei Haupttypen von Gammastrahlen, aber der Typ mit der niedrigsten Energie bei 58,6 Kiloelektronenvolt steht vor einer schwierigen Reise. Der Mondboden ist sehr effektiv darin, diese schwächeren Strahlen zu stoppen; sie werden fast sofort von den Staubpartikeln, auf die sie treffen, absorbiert. Das Modell zeigte, dass nur die Eisenatome, die in der obersten Schicht des Bodens liegen, innerhalb von etwa anderthalb Zentimetern der Oberfläche, zu einem Signal beitragen können, das möglicherweise entweichen könnte. Selbst dann ist die Menge der Energie, die die Erde erreicht, unglaublich gering und wird mit etwa 6,55 mal 10 hoch minus 24 Erg pro Quadratzentimeter pro Sekunde gemessen. Dieses Signal ist so schwach, dass es gegenüber dem Hintergrundrauschen des Universums praktisch unsichtbar ist.

Im Gegensatz dazu verhalten sich die hochenergetischeren Strahlen, speziell jene bei 1173 und 1332 Kiloelektronenvolt, ganz anders. Da sie viel mehr Energie tragen, können sie tiefer in den Mondboden eindringen und bis zu zehn Zentimeter Staub durchqueren, bevor sie gestoppt werden. Diese Fähigkeit, durch den Boden zu reisen, ermöglicht es einem viel größeren Volumen des vergrabenen Eisens, zum Signal beizutragen. Infolgedessen ist der Fluss, also die Menge der ankommenden Energie auf der Erde, für diese hochenergetischen Strahlen etwa zehntausendmal stärker als das niederenergetische Signal. Obwohl dies eine signifikante Verbesserung darstellt, fanden die Forscher heraus, dass die Gesamtmenge der uns erreichenden Strahlung immer noch viel zu schwach ist, um von unseren heutigen Instrumenten detektiert zu werden. Die besten Weltraumteleskope, die wir heute besitzen, verfügen schlichtweg nicht über die erforderliche Empfindlichkeit, um dieses spezifische Signal vom Mond aufzuschnappen.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass der Mond zwar ein perfektes Archiv zur Bewahrung der Geschichte nahegelegener Supernova-Explosionen ist, das Lauschen auf ihre Geschichte mittels Gammastrahlen jedoch derzeit jenseits unserer Reichweite liegt. Das Signal ist da, im Staub verborgen, aber es ist zu leise, um mit heutiger Technologie von unseren Ohren gehört zu werden. Diese Erkenntnis bedeutet nicht, dass die Suche beendet ist; vielmehr liefert sie ein klares Ziel für zukünftige Missionen. Die Forscher schlagen vor, dass wir, wenn wir neue, empfindlichere Detektoren bauen, die speziell auf diese hochenergetischen Strahlen abgestimmt sind, oder wenn wir Instrumente direkt auf der Mondoberfläche platzieren, um die Distanz und die Interferenzen des Weltraums zu vermeiden, das Echo jener antiken Sternexplosionen vielleicht endlich hören können. Bis dahin bleibt das Eisen-60 ein stummer Zeuge im Mondstaub, der darauf wartet, dass eine zukünftige Generation von Instrumenten seine Geheimnisse entschlüsselt.