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一颗恒星的爆发会如何影响地球上的生命?

日期:2022年06月21日

       1987 年 2 月, 美国宇航局戈达德太空飞行中心的年轻研究员 Neil Gehrels 登上飞往澳大利亚的飞机。
       内陆军用飞机。格里尔斯带着一些特殊的货物:一个聚乙烯太空气球和一套他刚刚在实验室里建造的辐射探测器。他的目的地是北领地的一个偏远小镇爱丽斯泉。在那里, 格雷尔斯将使用设备在地球大气层上方观察宇宙中最激动人心的事件之一:银河系附近卫星星系中的超新星爆炸。像许多超新星一样, SN1987A 宣布了一颗大质量恒星的剧烈坍缩。这次爆发的独特之处在于它离地球非常近。它是自 1604 年开普勒超新星 (SN1604) 以来距离我们最近的超新星。SN1604 是迄今为止银河系中肉眼可见的最后一颗超新星。德国天文学家开普勒记录了这次爆炸, 中国的《明史》也有相应的记载。自 SN1604 以来, 科学家们提出了许多问题, 要回答这些问题需要进一步观察新的超新星事件。一个问题是:一颗超新星距离地球上的生命有多大可能毁灭?早在 1970 年代, 研究人员就假设辐射会破坏地球的臭氧层, 使植物和动物暴露在有害的紫外线下, 并进一步导致大规模灭绝。借助来自 SN1987A 的新数据, 格雷尔斯现在可以计算出超新星会产生严重影响的理论破坏半径, 此外他还可以计算垂死恒星出现的概率。最重要的是, 可能有一颗超新星离地球很近, 大约每十亿年就会对地球的臭氧层产生一次巨大的影响。但这并不经常发生, 而且还没有发现会威胁太阳系的恒星。但是地球已经存在了 46 亿年, 而生命已经存在了大约一半的时间, 这意味着超新星爆炸很可能在过去的某个时候发生。问题是, 这种爆发究竟是什么时候发生的?而且, 由于超新星主要影响大气, 因此很难找到确凿的证据。天文学家在银河系周围的宇宙中寻找线索, 但超新星最令人信服的证据来自海底。这听起来有点自相矛盾。在水下山脉裸露的基岩上, 称为铁锰结壳的黑色矿物生长得非常缓慢。在这种矿物的薄层结构中, 记录着地球的历史, 从中我们可以得到附近超新星的第一个直接证据。詹姆斯·海因在夏威夷附近收集到的锰铁结壳。尽管它们外表平凡, 但这些岩石具有重要的科学意义这些线索非常有价值,

以至于他们推测超新星可能在地球生命进化中发挥了鲜为人知的作用, 而这一事件很可能是地球生命故事的一部分。为了了解超新星如何影响地球上生命的延续, 科学家们需要将它们爆发的时间与地球上的关键事件联系起来, 例如大规模灭绝或进化跳跃。做到这一点的方法是追踪超新星爆炸在地球上沉积的碎片, 也就是说, 找到我们星球上主要在超新星内部融合的那些元素。稀有的放射性金属衰变缓慢, 因此它们的存在是恒星死亡的确凿证据。最有希望的候选者之一是 Fe-60, 它是一种比常规同位素多四个中子的铁同位素, 半衰期约为 260 万年。然而, 要找到散布在地球表面的 Fe-60 原子并非易事, 而且只有极少量的 Fe-60 到达我们的星球。在陆地上, Fe-60 被天然铁稀释, 或经过数百万年的侵蚀, 最终被水冲走。于是, 科学家们将目光转向海底, 发现锰铁地壳中含有Fe-60原子。这些岩石的形成过程有点像石笋:它们都是从液体中沉淀出来, 层层堆积, 只是锰铁结壳是由金属组成, 形成更宽的壳, 而不是像石笋那样分开。尖锥。锰铁结壳主要由铁和锰的氧化物组成, 还含有元素周期表上几乎所有金属的微量元素, 从钴到钇。当铁、锰和其他金属离子从陆地被冲刷到在海水中, 或从水下火山口喷出时, 它们与海水中的氧气发生反应, 形成固体物质, 沉淀在海底或四处漂浮, 直到附着在现有的硬壳上, 即海底的铁锰壳上。 确切的过程岩石区最初形成的原因仍然是个谜, 一旦第一层堆积起来, 更多的层将继续堆积, 最终达到25厘米的厚度。因此, 锰铁结壳可以用作宇宙历史学家, 记录海水化学成分的变化, 包括可能表明垂死恒星的元素。 1980 年代, 地质学家在夏威夷西南部发现了最古老的锰铁结壳之一, 其历史可以追溯到 7000 万年前。那时, 恐龙还在地球上漫游, 而印度次大陆只是南极洲和亚洲之间的一个岛屿。锰铁结壳的生长是科学已知的最慢的过程之一, 每百万年仅增加约 5 毫米。相比之下, 人类指甲的生长速度要快约 700 万倍。原因其实很简单。海洋中每十亿个水分子中只有不到一个铁或锰原子, 它们必须抵抗过去洋流的拉力和其他化学相互作用, 才能在新的地壳层中沉淀下来。
        Krauskny 使用从太平洋 4, 830 米深处收集的锰铁结壳来追踪铁同位素 Fe-60。这些结壳的厚度可达 25 厘米。与生长缓慢的锰铁结壳不同, 超新星爆炸几乎是瞬间发生的。发生。在最常见的超新星类型中, 恒星在其核心开始燃烧较重的元素之前耗尽了氢和氦燃料元素直到最终生产铁。这个过程可能需要数百万年, 但恒星的最后时刻只需要几毫秒。随着重元素在恒星核心中积累,

核心变得不稳定并内爆, 以四分之一光速将外层吸入核心。但核心中粒子的密度很快阻止了内爆, 引发了大爆炸, 将一大堆恒星碎片炸入太空, 其中包括 Fe-60 同位素, 其中一些最终进入了锰铁地壳。 Klaus Knie 在德国慕尼黑工业大学担任实验物理学家时,

是最早在锰铁结壳中寻找 Fe-60 的人之一。然而, 他的团队并没有研究超新星或铁锰结壳, 而是正在开发测量各种元素的稀有同位素的方法, 包括 Fe-60。当时的另一位科学家测量了一种铍同位素, 该同位素恰好被用来确定锰铁地壳的年代。因此 Klausqueny 决定在同一个样品中测试 Fe-60。此时他已经知道 Fe-60 是在超新星中产生的。 “我们是宇宙的一部分, 如果我们找对了地方, 我们就有机会掌握这种天体物理物质, ”现在在亥姆霍兹重离子研究中心工作的克尼说。
       研究中使用的锰铁结壳也是从离夏威夷不远的海底获得的。测试结果表明,

该位置确实被选中。 Klausqueney 及其同事发现了可追溯到大约 280 万年前的带有 Fe-60 尖峰的地壳, 标志着附近恒星的死亡。这一发现具有重要意义。这是在地球上发现超新星遗迹的第一个证据, 指出了附近宇宙中最后一次超新星爆炸的大致时间(如果有更近期的事件, 研究人员可能发现了更近的 Fe-60 峰值)。然而, 这一发现也促使克尼提出了一个有趣的进化论。根据铁锰地壳中 Fe-60 的含量, Kerney 估计超新星发生在距离地球至少 100 光年的地方。这个距离是臭氧层可能被破坏的距离的三倍, 但足以潜在地改变云的形成, 从而改变气候。虽然 280 万年前没有发生大规模灭绝事件, 但确实发生了一些可能促成人类进化的剧烈气候变化。大约在那个时候, 非洲的气候变得干燥, 导致森林萎缩, 取而代之的是广阔的热带草原。科学家认为, 这种变化可能促使我们的人类祖先从树上下来, 并最终开始用两条腿走路。这个想法,

就像任何年轻的理论一样, 仍然是推测性的, 一些学者不同意。一些科学家认为 Fe-60 可能是由陨石带到地球的, 而另一些科学家则认为, 数百万年前的这些气候变化可能是由于温室气体浓度下降或北美和南美之间的海洋通道关闭造成的.解释。然而,

Kerney 等人的研究确实为科学家们提供了新的工具, 使他们能够识别其他可能在地球附近经过的更古老的超新星年龄并研究它们对地球的影响。菲尔兹说, 我们可以利用这些暗淡、生长缓慢的岩石来研究星暴的快速发光, 这是非常了不起的, 在未来, 它们会告诉我们更多的故事。
       

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