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一颗恒星的爆发会带来什么?

2020-01-09 09:27:23  来源:新浪科技

北京时间1月9日消息,1987年2月,美国国家航空航天局(NASA)戈达德太空飞行中心的年轻研究者尼尔·格雷尔斯(Neil Gehrels)登上了一架飞往澳大利亚内陆的军用飞机。格雷尔斯携带了一些特殊的货物:一个聚乙烯太空气球和一组他刚刚在实验室里打造的辐射探测器。他的目的地是爱丽斯泉(Alice Springs),一个位于北领地的偏远小镇。在那里,格雷尔斯将利用这些设备,在地球大气层上方一窥宇宙中最激动人心的事件之一:超新星爆发,这颗超新星位于银河系邻近的卫星星系中。

和许多超新星一样,SN 1987A宣告了一颗大质量恒星的剧烈坍缩。这次爆发与众不同的地方在于,它很靠近地球;这是自1604年开普勒超新星(SN 1604)以来,距离我们最近的一次超新星爆发。SN 1604是目前为止银河系内最后一颗肉眼可见的超新星,德国天文学家开普勒记录了这次爆发,在中国的《明史》中也有相应记载。自SN 1604之后,科学家提出了许多问题,而要回答这些问题,就得对新的超新星事件进行更进一步的观察。有一个问题是这样的:超新星的距离多近才可能毁灭地球上的生命?

早在20世纪70年代,研究人员就假设,来自邻近超新星的辐射会破坏地球的臭氧层,使动植物暴露在有害的紫外线下,并进一步导致大规模灭绝。有了来自SN 1987A的新数据,格雷尔斯现在可以计算出理论上的“毁灭半径”,即在这个半径内的超新星会产生严重的影响,此外,他还可以计算出垂死的恒星出现在这一半径内的概率。

最重要的是,可能存在一颗离地球足够近的超新星,它大约每十亿年就会对地球臭氧层产生一次巨大的影响。不过这种情况并不经常发生,而且现在也没有发现会威胁到太阳系的恒星。但是,地球已经存在了46亿年,而生命出现的时间大约是地球历史的一半,这意味着在过去某个时候很可能发生过超新星爆发。问题是,这场爆发到底发生在什么时候?而且,由于超新星主要影响大气,所以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,但最令人信服的超新星证据却来自海底。这听起来有点自相矛盾。在海底水下山脉裸露的基岩上,有一种被称为铁锰结壳的黑色矿物在缓慢生长——速度之慢令人难以置信。在这种矿物的薄层结构中,记录了地球的历史,我们可以从中获得邻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的锰铁结壳。尽管外观普通,但这些岩石在科学上有着重要意义

詹姆斯·海因在夏威夷附近收集的锰铁结壳。尽管外观普通,但这些岩石在科学上有着重要意义

对科学家来说,这些关于远古超新星爆发的线索非常有价值,他们推测超新星可能在地球生命的演化过程中发挥了鲜为人知的作用,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生命的延续,科学家需要将其爆发的时间与地球上的关键事件联系起来,比如大灭绝或演化跳跃。要做到这一点,唯一的方法就是追踪超新星爆发在地球上沉积的碎片,即在我们星球上找到那些主要在超新星内部融合的元素。

稀有放射性金属的衰变很缓慢,因此其存在就成为一颗恒星死亡的确凿证据。最有希望的一个候选者是Fe-60,一种比常规同位素多4个中子的铁同位素,其半衰期约为260万年。然而,寻找散落在地球表面的Fe-60原子并非易事,只有非常少量的Fe-60会到达我们的星球。在陆地上,Fe-60会被天然铁稀释,或者经历数百万年的侵蚀,最终被水冲走。

于是,科学家将目光投向大海底部,发现锰铁结壳中就含有Fe-60原子。这些岩石的形成过程有点像石笋:都是从液体中沉淀出来,一层一层地沉积累加,只不过锰铁结壳由金属组成,形成较宽广的壳状,而不像石笋那样是单独的尖锥体。锰铁结壳主要由铁和锰氧化物组成,也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冲刷到海水中,或者从海底火山口喷出来的时候,它们会与海水中的氧气发生反应,形成固体物质,沉淀到海底或四处漂浮,直到附着在现有的硬壳上,锰铁结壳在海底岩石地带最初形成的确切过程仍然是一个谜,一旦第一层累积起来,更多的岩层就会不断堆积,最终可厚达25厘米。

因此,锰铁结壳可以被当作“宇宙历史学家”,它们记录了海水的化学成分变化,包括一些能够指示垂死恒星的元素。20世纪80年代,地质学家在夏威夷西南部打捞出了最古老的锰铁结壳之一,它可以追溯到7000多万年前。当时,恐龙还在地球上游荡,而印度次大陆只是南极洲和亚洲之间的一座岛屿。

锰铁结壳的生长是科学上已知最慢的过程之一,每百万年只增加约5毫米。相比之下,人类的指甲生长速度大约快700万倍。原因其实很简单,海洋里每十亿个水分子中只有不到1个铁或锰原子,它们必须抵抗过往洋流的拉力和其他化学相互作用的影响,才能在新一层结壳中固定下来。

克劳斯·克尼利用从太平洋4830米深处采集的锰铁结壳来追踪铁的同位素Fe-60,这些结壳的厚度可达25厘米

克劳斯·克尼利用从太平洋4830米深处采集的锰铁结壳来追踪铁的同位素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,超新星爆发几乎是瞬间发生的。在最常见的超新星类型中,恒星先耗尽氢和氦燃料,之后其核心开始燃烧较重的元素,直到最终产生铁。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中积累,核心变得不稳定并发生内爆,以四分之一的光速将外层物质吸进核心。但是核心中粒子的密度很快就阻止了内爆,引发了一场大爆炸,将一大团恒星碎片射向太空,其中就包括Fe-60同位素,有些就最终落到了锰铁结壳中。

克劳斯·克尼(Klaus Knie)是最早在锰铁结壳中寻找Fe-60的人之一,当时他是德国慕尼黑工业大学的实验物理学家。不过,他的团队既没有研究超新星,也没有研究锰铁结壳,而是在开发测量各种元素稀有同位素的方法,包括Fe-60。当时另一位科学家测量了铍的一种同位素,而这种同位素刚好可以用来确定锰铁结壳的年代。于是,克劳斯·克尼决定检测同一样品的Fe-60。此时他已经知道,Fe-60是在超新星中产生的。如今在亥姆霍兹重离子研究中心工作的克尼说:“我们是宇宙的一部分,如果我们找对了地方,我们就有机会把这种‘天体物理’物质握在手中。”

该研究所用的锰铁结壳也是从离夏威夷不远的海底获取的。检测结果表明,地点确实选对了。克劳斯·克尼和同事们发现有一层结壳出现了一个Fe-60尖峰,可以追溯到大约280万年前,这标志着当时一颗邻近恒星的死亡。这一发现具有重要的意义。这是在地球上能够找到超新星残余的第一个证据,精确指出了邻近宇宙中上一次超新星爆发的大致时间(如果有更近的事件,研究人员可能就会发现更近的Fe-60尖峰)。不过,该发现也使克尼提出了一个有趣的演化理论。

根据锰铁结壳中Fe-60的含量,克尼估计超新星爆发的位置距离地球至少100光年。这个距离是臭氧层可能被摧毁的距离的三倍,但已经足以潜在地改变云层形成,从而改变气候。虽然280万年前没有发生过大规模物种灭绝事件,但确实发生了一些剧烈的气候变化,而这些变化可能促进了人类的演化。大约在那个时候,非洲的气候变得干燥,导致森林萎缩,取而代之的是大片的草原。科学家认为,这种变化可能促进了我们的原始人类祖先从树上下来,最终开始用两条腿走路。

这个想法,和任何年轻的理论一样,仍然是推测性的,也有学者对此持反对意见。一些科学家认为,Fe-60可能是由陨石带到地球上的,而另一些科学家则认为,数百万年前的这些气候变化可以用温室气体浓度下降,或南北美洲之间的海洋通道关闭来解释。不过,克尼等人的研究确实为科学家提供了新的工具,使他们能够确定经过地球附近的其他可能更古老的超新星的年代,并研究它们对地球的影响。菲尔兹表示,我们可以利用这些颜色暗淡、生长缓慢的岩石来研究恒星爆发的快速发光现象,这相当了不起,而在未来,它们为我们讲述更多的故事。(任天)

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