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一顆恒星的爆發會帶來什么?

2020-01-09 09:27:23  來源:新浪科技

北京時間1月9日消息,1987年2月,美國國家航空航天局(NASA)戈達德太空飛行中心的年輕研究者尼爾·格雷爾斯(Neil Gehrels)登上了一架飛往澳大利亞內陸的軍用飛機。格雷爾斯攜帶了一些特殊的貨物:一個聚乙烯太空氣球和一組他剛剛在實驗室里打造的輻射探測器。他的目的地是愛麗斯泉(Alice Springs),一個位于北領地的偏遠小鎮。在那里,格雷爾斯將利用這些設備,在地球大氣層上方一窺宇宙中最激動人心的事件之一:超新星爆發,這顆超新星位于銀河系鄰近的衛星星系中。

和許多超新星一樣,SN 1987A宣告了一顆大質量恒星的劇烈坍縮。這次爆發與眾不同的地方在于,它很靠近地球;這是自1604年開普勒超新星(SN 1604)以來,距離我們最近的一次超新星爆發。SN 1604是目前為止銀河系內最后一顆肉眼可見的超新星,德國天文學家開普勒記錄了這次爆發,在中國的《明史》中也有相應記載。自SN 1604之后,科學家提出了許多問題,而要回答這些問題,就得對新的超新星事件進行更進一步的觀察。有一個問題是這樣的:超新星的距離多近才可能毀滅地球上的生命?

早在20世紀70年代,研究人員就假設,來自鄰近超新星的輻射會破壞地球的臭氧層,使動植物暴露在有害的紫外線下,并進一步導致大規模滅絕。有了來自SN 1987A的新數據,格雷爾斯現在可以計算出理論上的“毀滅半徑”,即在這個半徑內的超新星會產生嚴重的影響,此外,他還可以計算出垂死的恒星出現在這一半徑內的概率。

最重要的是,可能存在一顆離地球足夠近的超新星,它大約每十億年就會對地球臭氧層產生一次巨大的影響。不過這種情況并不經常發生,而且現在也沒有發現會威脅到太陽系的恒星。但是,地球已經存在了46億年,而生命出現的時間大約是地球歷史的一半,這意味著在過去某個時候很可能發生過超新星爆發。問題是,這場爆發到底發生在什么時候?而且,由于超新星主要影響大氣,所以很難找到確鑿的證據。

天文學家在銀河系周圍的宇宙中尋找線索,但最令人信服的超新星證據卻來自海底。這聽起來有點自相矛盾。在海底水下山脈裸露的基巖上,有一種被稱為鐵錳結殼的黑色礦物在緩慢生長——速度之慢令人難以置信。在這種礦物的薄層結構中,記錄了地球的歷史,我們可以從中獲得鄰近超新星的第一個直接證據。

詹姆斯·海因在夏威夷附近收集的錳鐵結殼。盡管外觀普通,但這些巖石在科學上有著重要意義

詹姆斯·海因在夏威夷附近收集的錳鐵結殼。盡管外觀普通,但這些巖石在科學上有著重要意義

對科學家來說,這些關于遠古超新星爆發的線索非常有價值,他們推測超新星可能在地球生命的演化過程中發揮了鮮為人知的作用,這一事件很可能是地球生命故事的一部分。為了了解超新星如何影響地球生命的延續,科學家需要將其爆發的時間與地球上的關鍵事件聯系起來,比如大滅絕或演化跳躍。要做到這一點,唯一的方法就是追蹤超新星爆發在地球上沉積的碎片,即在我們星球上找到那些主要在超新星內部融合的元素。

稀有放射性金屬的衰變很緩慢,因此其存在就成為一顆恒星死亡的確鑿證據。最有希望的一個候選者是Fe-60,一種比常規同位素多4個中子的鐵同位素,其半衰期約為260萬年。然而,尋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會到達我們的星球。在陸地上,Fe-60會被天然鐵稀釋,或者經歷數百萬年的侵蝕,最終被水沖走。

于是,科學家將目光投向大海底部,發現錳鐵結殼中就含有Fe-60原子。這些巖石的形成過程有點像石筍:都是從液體中沉淀出來,一層一層地沉積累加,只不過錳鐵結殼由金屬組成,形成較寬廣的殼狀,而不像石筍那樣是單獨的尖錐體。錳鐵結殼主要由鐵和錳氧化物組成,也含有元素周期表上幾乎所有金屬的微量元素,從鈷到釔。

當鐵、錳和其他金屬離子從陸地沖刷到海水中,或者從海底火山口噴出來的時候,它們會與海水中的氧氣發生反應,形成固體物質,沉淀到海底或四處漂浮,直到附著在現有的硬殼上,錳鐵結殼在海底巖石地帶最初形成的確切過程仍然是一個謎,一旦第一層累積起來,更多的巖層就會不斷堆積,最終可厚達25厘米。

因此,錳鐵結殼可以被當作“宇宙歷史學家”,它們記錄了海水的化學成分變化,包括一些能夠指示垂死恒星的元素。20世紀80年代,地質學家在夏威夷西南部打撈出了最古老的錳鐵結殼之一,它可以追溯到7000多萬年前。當時,恐龍還在地球上游蕩,而印度次大陸只是南極洲和亞洲之間的一座島嶼。

錳鐵結殼的生長是科學上已知最慢的過程之一,每百萬年只增加約5毫米。相比之下,人類的指甲生長速度大約快700萬倍。原因其實很簡單,海洋里每十億個水分子中只有不到1個鐵或錳原子,它們必須抵抗過往洋流的拉力和其他化學相互作用的影響,才能在新一層結殼中固定下來。

克勞斯·克尼利用從太平洋4830米深處采集的錳鐵結殼來追蹤鐵的同位素Fe-60,這些結殼的厚度可達25厘米

克勞斯·克尼利用從太平洋4830米深處采集的錳鐵結殼來追蹤鐵的同位素Fe-60,這些結殼的厚度可達25厘米

與生長緩慢的錳鐵結殼不同,超新星爆發幾乎是瞬間發生的。在最常見的超新星類型中,恒星先耗盡氫和氦燃料,之后其核心開始燃燒較重的元素,直到最終產生鐵。這個過程可能需要數百萬年,但恒星的最后時刻只需要幾毫秒。隨著重元素在恒星核中積累,核心變得不穩定并發生內爆,以四分之一的光速將外層物質吸進核心。但是核心中粒子的密度很快就阻止了內爆,引發了一場大爆炸,將一大團恒星碎片射向太空,其中就包括Fe-60同位素,有些就最終落到了錳鐵結殼中。

克勞斯·克尼(Klaus Knie)是最早在錳鐵結殼中尋找Fe-60的人之一,當時他是德國慕尼黑工業大學的實驗物理學家。不過,他的團隊既沒有研究超新星,也沒有研究錳鐵結殼,而是在開發測量各種元素稀有同位素的方法,包括Fe-60。當時另一位科學家測量了鈹的一種同位素,而這種同位素剛好可以用來確定錳鐵結殼的年代。于是,克勞斯·克尼決定檢測同一樣品的Fe-60。此時他已經知道,Fe-60是在超新星中產生的。如今在亥姆霍茲重離子研究中心工作的克尼說:“我們是宇宙的一部分,如果我們找對了地方,我們就有機會把這種‘天體物理’物質握在手中。”

該研究所用的錳鐵結殼也是從離夏威夷不遠的海底獲取的。檢測結果表明,地點確實選對了??藙谒?middot;克尼和同事們發現有一層結殼出現了一個Fe-60尖峰,可以追溯到大約280萬年前,這標志著當時一顆鄰近恒星的死亡。這一發現具有重要的意義。這是在地球上能夠找到超新星殘余的第一個證據,精確指出了鄰近宇宙中上一次超新星爆發的大致時間(如果有更近的事件,研究人員可能就會發現更近的Fe-60尖峰)。不過,該發現也使克尼提出了一個有趣的演化理論。

根據錳鐵結殼中Fe-60的含量,克尼估計超新星爆發的位置距離地球至少100光年。這個距離是臭氧層可能被摧毀的距離的三倍,但已經足以潛在地改變云層形成,從而改變氣候。雖然280萬年前沒有發生過大規模物種滅絕事件,但確實發生了一些劇烈的氣候變化,而這些變化可能促進了人類的演化。大約在那個時候,非洲的氣候變得干燥,導致森林萎縮,取而代之的是大片的草原??茖W家認為,這種變化可能促進了我們的原始人類祖先從樹上下來,最終開始用兩條腿走路。

這個想法,和任何年輕的理論一樣,仍然是推測性的,也有學者對此持反對意見。一些科學家認為,Fe-60可能是由隕石帶到地球上的,而另一些科學家則認為,數百萬年前的這些氣候變化可以用溫室氣體濃度下降,或南北美洲之間的海洋通道關閉來解釋。不過,克尼等人的研究確實為科學家提供了新的工具,使他們能夠確定經過地球附近的其他可能更古老的超新星的年代,并研究它們對地球的影響。菲爾茲表示,我們可以利用這些顏色暗淡、生長緩慢的巖石來研究恒星爆發的快速發光現象,這相當了不起,而在未來,它們為我們講述更多的故事。(任天)

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