Mario Wannier, un geologo di carriera con esperienza nello studio della minuscola vita marina, stava ordinando metodicamente le particelle in campioni di sabbia della spiaggia della penisola giapponese di Motoujina quando ha notato qualcosa di inaspettato:un numero di minuscole, sfere di vetro e altri oggetti insoliti.

più debole, che ora è in pensione, ha confrontato i detriti biologici nelle sabbie delle spiagge di diverse aree nel tentativo di valutare la salute degli ecosistemi marini locali e regionali. Il lavoro consisteva nell'esaminare ogni particella di sabbia in un campione al microscopio, e con un pennello sottile, separare le particelle di interesse dai grani di sedimento in un vassoio per ulteriori studi.

Una sorpresa nei granelli di sabbia:particelle vetrose

"Avevo visto centinaia di campioni di spiaggia dal sud-est asiatico, e posso immediatamente distinguere i grani minerali dalle particelle create da animali o piante, quindi è molto facile, " disse. Nelle sabbie di Motoujina, raccolti dal collega di Wannier, Marc de Urreiztieta, trovò tracce familiari di organismi unicellulari noti come foraminiferi, che si presentano in una varietà di forme. In genere hanno conchiglie e risiedono dentro e intorno ai sedimenti del fondo marino.

"Ma c'era qualcos'altro... è così ovvio quando guardi i campioni, " disse. "Non potevano mancare queste particelle estranee. Sono generalmente aerodinamici, vetroso, arrotondate:queste particelle mi hanno immediatamente ricordato alcune particelle sferiche (arrotondate) che avevo visto in campioni di sedimenti dal confine Cretaceo-Terziario, " il cosiddetto confine K-T ora indicato come confine Cretaceo-Paleogene (K-Pg) che ha segnato un evento di estinzione di massa planetaria, compresa la morte dei dinosauri, circa 66 milioni di anni fa.

Nel 1980, Luis Alvarez, un premio Nobel che ha lavorato al Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e all'UC Berkeley, insieme a suo figlio, geologo Walter Alvarez, proposto una teoria, basata su un'elevata concentrazione di iridio nei depositi al confine K-Pg, che un grande impatto di meteorite ha causato questa massiccia moria. Insieme a prove più recenti, gli scienziati ora ritengono che l'impatto sia avvenuto nella regione della penisola dello Yucatan. Negli impatti di meteoriti, il materiale macinato liquefatto viene espulso nell'atmosfera, formando goccioline di materiale vetroso che ricadono a terra.

Alcune delle sfere di vetro che Wannier esaminò sembravano fuse insieme ad altre sfere, e altri mostravano caratteristiche simili a una coda. Mentre alcune delle particelle vetrose assomigliavano a quelle associate agli impatti di meteoriti, altri che Wannier ha trovato non erano così familiari:tra questi c'erano particelle con una composizione simile alla gomma e particelle con una varietà di materiali rivestiti in uno strato o più strati di vetro o silice. Molte delle particelle misuravano da 0,5 mm a 1 mm di diametro.

Wannier non aveva idea all'epoca che questo serraglio vetroso di particelle che incontrava avrebbe portato a uno sforzo di ricerca lungo anni che avrebbe coinvolto scienziati ed esperimenti presso il Berkeley Lab e l'UC Berkeley. Lo sforzo rivelerebbe alla fine la diversità e l'unicità delle particelle studiate, comprese miscele chimiche e minerali insolite; l'ambiente esotico ad alta temperatura e alta pressione in cui si sono formati; e il potenziale per nuove scoperte in ulteriori esplorazioni.

Concentrazione, il volume di materiale indica l'esplosione della bomba atomica

Dopo questa prima constatazione nel 2015, Wannier si è recato in Giappone per raccogliere più campioni di sabbia da spiaggia della stessa regione, vicino alla città di Hiroshima.

In tutti questi campioni, c'erano tra 12,6 e 23,3 grammi di questi sferoidi e altre particelle insolite per ogni chilogrammo (2,2 libbre) di sabbia. Questo strano assortimento di particelle vetrose rappresentava tra lo 0,6 percento e il 2,5 percento di tutti i grani esaminati. Wannier ha colto circa 10, 000 di queste particelle dalle sabbie e le ha ordinate in sei diversi gruppi in base alle loro caratteristiche fisiche.

Le concentrazioni costantemente elevate di questo strano assortimento di particelle nelle sabbie delle spiagge raccolte a circa 4-7 miglia dalla città di Hiroshima hanno sollevato i suoi sospetti che possano essere collegate all'esplosione della bomba atomica che ha devastato Hiroshima la mattina del 6 agosto. 1945. Quella bomba aveva ucciso all'istante 70, 000 o più persone, con un bilancio delle vittime finale che tiene conto degli effetti delle radiazioni associati eventualmente superiore a 145, 000. La bomba e le conseguenti tempeste di fuoco hanno per lo più livellato un'area che misura più di 4 miglia quadrate, e distrutto o danneggiato circa il 90% delle strutture della città.

Sulla base del volume dei detriti vetrosi trovati nelle sabbie della spiaggia, Wannier e i suoi colleghi hanno stimato che un chilometro quadrato, o circa 0,4 miglia quadrate di spiaggia di sabbia nella zona, raccolti dalla sua superficie ad una profondità di circa 4 pollici, conterrebbe circa 2, 200 a 3, 100 tonnellate di particelle.

Uno studio che dettaglia le analisi del materiale, pubblicato sulla rivista Antropocene , fornisce un'esplorazione esauriente delle molte possibili fonti per le particelle insolite, e conclude che sono la ricaduta della bomba atomica dalla città distrutta di Hiroshima.

"Questo è stato il peggior evento artificiale di sempre, di gran lunga, " disse Wannier. "Nella sorpresa di trovare queste particelle, la grande domanda per me era:hai una città, e un minuto dopo non hai città. C'era la domanda:"Dov'è la città ¬¬- dov'è il materiale?" È un vero tesoro aver scoperto queste particelle. È una storia incredibile".

Collegamento con Berkeley Lab, UC Berkeley per analisi dettagliate

Wannier e de Urreiztieta volevano saperne di più sui campioni, così hanno contattato Rudy Wenk, un professore di mineralogia all'UC Berkeley e un affiliato di lunga data del Berkeley Lab:Wannier e Wenk avevano entrambi studiato geologia all'Università di Basilea, Svizzera, decenni prima.

Wenk ha studiato per la prima volta i campioni dell'area di Hiroshima utilizzando un microscopio elettronico. Ciò ha consentito un'esplorazione dettagliata della loro composizione e delle loro strutture.

Osservò un'ampia varietà nella composizione chimica dei campioni, comprese le concentrazioni di alluminio, silicio e calcio; globuli microscopici di ferro ricco di cromo; e ramificazione microscopica di strutture cristalline. Altri erano composti principalmente da carbonio e ossigeno.

"Alcuni di questi sembrano simili a quelli che abbiamo dagli impatti di meteoriti, ma la composizione è ben diversa, " Wenk ha detto. "C'erano forme piuttosto insolite. C'era del puro ferro e acciaio. Alcuni di questi avevano la composizione di materiali da costruzione".

Per raccogliere ulteriori dettagli sui campioni, Wenk si rivolse al Berkeley Lab, dove lui e i suoi studenti hanno condotto molti esperimenti di microscopia elettronica e raggi X nel corso degli anni. Ha portato campioni selezionati all'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab e lì ha condotto una serie di misurazioni.

Nobumichi "Nobu" Tamura, uno scienziato dello staff della SLA con cui Wenk aveva lavorato prima, insieme ai colleghi dell'allora SLA Camelia Stan e Binbin Yue (Stan e Yue da allora hanno lasciato il Berkeley Lab), assistito nell'analisi dei campioni su una scala inferiore a 1 micron, o 1 milionesimo di metro, utilizzando una tecnica nota come microdiffrazione a raggi X.

Entrambi i genitori di Tamura sono nati in Giappone, e ha detto che era personalmente interessato a partecipare allo studio a causa delle sue origini familiari. "Mio padre aveva 12 anni quando è avvenuto l'attentato, e viveva a soli 200 miglia a nord di Hiroshima, così ha assistito direttamente alle notizie e agli esiti di questi terribili eventi, " ha detto Tamura.

Gli esperimenti e le relative analisi hanno determinato che le particelle si erano formate in condizioni estreme, con temperature superiori a 3, 300 gradi Fahrenheit (1, 800 gradi centigradi), come evidenziato dall'assemblaggio di cristalli di anortite e mullite che i ricercatori hanno identificato.

Tamura ha notato che la microstruttura unica delle particelle studiate e l'enorme volume di detriti fusi presenti forniscono anche una forte prova di come si sono formate.

"L'ipotesi dell'esplosione atomica è l'unica spiegazione logica per la loro origine, " Egli ha detto.

Lo studio dettaglia i risultati dei ricercatori

Molte delle particelle a forma di sfera e altri frammenti probabilmente si sono formati ad alta quota intorno alla palla di fuoco in aumento dell'esplosione. In questo ambiente turbolento i materiali sollevati dal terreno hanno fatto gorgogliare e si sono mescolati prima di raffreddarsi, condensarsi e poi piovere.

Wannier ha spiegato i processi che probabilmente hanno formato i materiali in una nuvola atomica:"Il materiale di base è volatilizzato e spostato nella nuvola, dove l'alta temperatura modifica la condizione fisica, " Ha detto Wannier. "Ci sono molte interazioni tra le particelle. Ci sono tante piccole sfere che si scontrano, e ottieni questo agglomerato."

I ricercatori hanno anche scoperto che la composizione delle particelle di detriti corrisponde strettamente ai materiali che erano comuni a Hiroshima al momento del bombardamento, come il cemento, marmo, acciaio inossidabile, e gomma.

Altri studi hanno analizzato i detriti di fusione dal sito di test Trinity nel New Mexico, dove è stata innescata la prima esplosione nucleare, e dai siti di test nucleari sotterranei in Nevada. Ma quei campioni hanno una composizione nettamente diversa associata al loro ambiente geologico locale.

I detriti della Trinità sono soprannominati trinitite, e i ricercatori nell'ultimo studio hanno soprannominato le particelle di fusione che hanno studiato come Hiroshimaite per evidenziare le loro caratteristiche distinte e la loro probabile origine nell'esplosione della bomba atomica di Hiroshima.

"Le particelle di Hiroshimaite sono molto più complesse e diverse delle triniti, "Tamura ha detto, a causa della loro probabile genesi nel centro urbano di Hiroshima.

Sebbene ci fossero stati sforzi internazionali concertati per aiutare i sopravvissuti che soffrivano degli effetti delle radiazioni, per misurare i livelli di radiazione, e per valutare i danni complessivi causati dai bombardamenti atomici del 1945 a Hiroshima e Nagasaki, lo studio ha rilevato che i detriti di fusione associati a questi bombardamenti non erano stati apparentemente studiati in precedenza.

L'ultimo studio incoraggia ulteriori test per scoprire se alcuni campioni contengono elementi radioattivi, e per condurre ulteriori studi nelle aree di Hiroshima e Nagasaki.

Piani per studi di follow-up

Wannier ha detto di aver ricevuto campioni di suolo da Ground Zero a Hiroshima e potrebbe cercare campioni di detriti dal sottosuolo più profondo lì, e ha anche ricevuto un campione di terreno contenente detriti vetrosi da un letto di un fiume a circa 19 miglia a nord-ovest di dove ha colpito la bomba atomica di Hiroshima:i documenti storici mostrano che l'area era nel percorso della nube atomica.

Ha detto che spera anche di esplorare se i detriti fusi mostrano somiglianze con i materiali associati alle eruzioni vulcaniche.

Tamura e Wenk hanno notato che questo studio iniziale si è concentrato solo su un piccolo numero di particelle di detriti fusi, e potrebbe essere utile proseguire uno studio più ampio per saperne di più sulle condizioni estreme che hanno prodotto i detriti e per rivelare una chimica o una mineralogia più uniche.

Wenk ha aggiunto, "È stato piuttosto affascinante guardare tutti questi materiali. Quello che speriamo è che altre persone siano interessate a guardarlo in modo più dettagliato, e nel cercare esempi nel sito della bomba atomica di Nagasaki."

Wenk ha inviato una copia dell'ultimo studio a Jun-Ichi Ando, un professore del Dipartimento di Scienze della Terra e dei Sistemi Planetari presso la Graduate School of Science dell'Università di Hiroshima, si erano incontrati mentre Wenk prestava servizio come visiting professor all'Università di Hiroshima nel 1998.

"Penso che questo tipo di ricerca sia molto importante per l'Università di Hiroshima, come un'università situata nel sito della bomba atomica, "Ando ha detto, notando che ha condiviso lo studio con un collega che è un mineralogista e studia l'impatto del meteorite nella regione dello Yucatan. Lo ha anche condiviso con Rebun Kayo, un ricercatore all'università che guida un gruppo di sensibilizzazione che aumenta la consapevolezza sulle armi nucleari condividendo tegole e mattoni di Hiroshima segnate dalle bombe con istituzioni di tutto il mondo.

In uno sforzo non correlato, Ando ha studiato un grosso pezzo di granito associato alla struttura della cupola della bomba atomica a Hiroshima:era l'unico edificio rimasto in piedi vicino al punto zero. Kayo ha trovato e recuperato il pezzo di granito da un alveo locale vicino all'edificio a cupola nel 2017. È anche conosciuto come Genbaku Dome o Hiroshima Peace Memorial.

"Ho cercato di trovare prove di fusione e l'onda d'urto registrata sulla superficie del pilastro di granito" utilizzando la microscopia elettronica, Ando ha detto che la sua ricerca si concentra tipicamente sulle microstrutture delle rocce nelle faglie sismiche.

Wannier ha detto che lo studio sui detriti è stato un viaggio illuminante per lui, e spera di continuare con la ricerca. "Per oltre 70 anni questo materiale è stato lì e non è mai stato studiato nei dettagli. Speriamo che questo attiri l'attenzione della comunità scientifica, " Egli ha detto.

"Speriamo che le persone approfittino di questa opportunità".