Radiation simulation of ⁶⁰Fe in lunar regolith decay

Diep in de geschiedenis van ons zonnestelsel zijn er momenten van gewelddadige transformatie die onzichtbare vingerafdrukken achterlaten. Wanneer een massieve ster het einde van haar leven bereikt en explodeert als een supernova, fungeert zij als een kosmische smidse, die zware elementen creëert en deze door de melkweg verspreidt. Een van deze elementen is ijzer-60, een zeldzame en radioactieve variant van ijzer die niet van nature in significante hoeveelheden op aarde voorkomt. Omdat dit isotoop met een constante, bekende snelheid vervalt over miljoenen jaren, dient het als een nauwkeurige klok voor astronomen. Als er in de afgelopen paar miljoen jaar een supernova relatief dicht bij ons zonnestelsel heeft plaatsgevonden, zou het puin van die explosie op alles in de buurt zijn neergedaald, inclusief de maan. In tegen weerkeer van de aarde, waar wind, water en verschuivende tektonische platen het oppervlak voortdurend recyclen en dergelijke oude records uitwissen, is de maan al miljarden jaren geologisch stil. Haar stoffige oppervlak, bekend als regoliet, fungeert als een ongerept archief dat een laag van dit buitenaardse ijzer bewaart dat uit de hemel is gevallen.

Een team van onderzoekers van de Xizang Universiteit en het Xizang Museum voor Natuurwetenschappen nam onlangs het initiatief om precies te begrijpen hoeveel signaal dit begraven ijzer uitzendt. Wanneer ijzer-60 vervalt, geeft het energie af in de vorm van gammastraling, wat hoogenergetische lichtdeeltjes zijn. De wetenschappers wilden weten of deze stralen het stoffige oppervlak van de maan konden ontsnappen en helemaal naar de aarde konden reizen, waar onze telescopen ze zouden kunnen opvangen. Om het antwoord te vinden, bouwden zij een gedetailleerd computermodel dat de reis van deze gammastralen simuleert terwijl ze proberen zich een weg door de maanbodem te banen. Ze hielden rekening met de dikte van de stoflaag, de dichtheid van de bodem en de specifieke energie van de stralen, waarbij ze berekenden hoeveel er door de grond zou worden geabsorbeerd versus hoeveel er succesvol de ruimte in zou breken.

De simulatie onthulde een scherp verschil tussen de laagenergetische stralen en de hoogenergetische stralen. Het verval van ijzer-60 produceert drie hoofdtypen gammastraling, maar het laagste energietype, op 58,6 kiloelektronvolt, staat voor een moeilijke reis. De maanbodem is zeer effectief in het stoppen van deze zwakkere stralen; ze worden bijna onmiddellijk geabsorbeerd door de stofdeeltjes die ze tegenkomen. Het model toonde aan dat alleen de ijzeratomen die zich in de bovenste laag van de bodem bevinden, binnen ongeveer anderhalve centimeter van het oppervlak, konden bijdragen aan een signaal dat mogelijk zou kunnen ontsnappen. Zelfs dan is de hoeveelheid energie die de aarde bereikt ongelooflijk zwak, gemeten op ongeveer 6,55 maal 10 tot de macht -24 ergs per vierkante centimeter per seconde. Dit signaal is zo zwak dat het in essentie onzichtbaar is tegen de achtergrondruis van het universum.

In contrast hiermee gedragen de hoogenergetische stralen, specifiek die op 1173 en 1332 kiloelektronvolt, zich heel anders. Omdat ze veel meer energie dragen, kunnen ze dieper in de maanbodem doordringen en reizen door tot wel tien centimeter stof voordat ze worden gestopt. Dit vermogen om door de grond te reizen, stelt een veel groter volume van het begraven ijzer in staat om bij te dragen aan het signaal. Als gevolg hiervan is de flux, oftewel de hoeveelheid energie die de aarde bereikt, voor deze hoogenergetische stralen ongeveer tienduizend keer sterker dan het laagenergetische signaal. Hoewel dit een aanzienlijke verbetering is, vonden de onderzoekers dat de totale hoeveelheid straling die ons bereikt nog steeds veel te zwak is voor onze huidige instrumenten. De beste ruimetelescopen die we vandaag de dag hebben, missen simpelweg de gevoeligheid die vereist is om dit specifieke signaal van de maan op te pikken.

De studie concludeert dat hoewel de maan inderdaad een perfect archief is voor het bewaren van de geschiedenis van nabijgelegen supernova-explosies, het luisteren naar haar verhaal via gammastraling momenteel buiten ons bereik ligt. Het signaal is er, begraven in het stof, maar het is te stil om met de huidige technologie door onze oren gehoord te worden. Deze bevinding betekent niet dat de zoektocht is gestopt; het biedt eerder een duidelijk doelwit voor toekomstige missies. De onderzoekers suggereren dat als we nieuwe, gevoeligere detectoren bouwen die specifiek zijn afgestemd op deze hoogenergetische stralen, of als we instrumenten direct op het maanoppervlak plaatsen om de afstand en interferentie van de ruimte te vermijden, we eindelijk de echo van die oude stellaire explosies kunnen horen. Tot die tijd blijft het ijzer-60 een stille getuige in het maanstof, wachtend op een toekomstige generatie instrumenten om haar geheimen te ontsluiten.