爆炸的恆星可能襲擊了古代地球_風聞

對於我們  250萬年前漫遊非洲的南方古猿祖先來説，天空中那顆明亮的新星肯定會引起人們的好奇。就像滿月一樣明亮，它會在晚上投下陰影，而在白天可見。隨着這顆超新星在接下來的幾個月裏逐漸消失，它可能也從記憶中消失了。但它留下了其他痕跡，現在浮出水面。

在過去的 20 年裏，研究人員發現了數百個放射性原子，它們被困在海底礦物中，這些原子來自標誌着附近恆星死亡的古代爆炸。它的聚變燃料耗盡，這顆恆星坍塌，產生的衝擊波將其外層炸開，形成一個膨脹的氣體和塵埃球，温度如此之高，以至於它短暫地發出了像星系一樣明亮的光芒——並最終讓地球上充滿了那些有跡象的原子。

從數百光年外爆發的 X 射線和伽馬射線的閃光可能對地球沒有傷害。但膨脹的火球也將宇宙射線——主要是氫和氦的原子核——加速到接近光速。幾十年後，這些射彈悄悄到達，形成一個無形的連續炮彈，可能會持續數千年，並可能影響大氣和生命。

在一系列研究和推測中，天文學家勾勒出它們的潛在影響。宇宙射線彈幕可能通過侵蝕地球的保護性臭氧層併產生次生的、穿透組織的粒子陣雨來提高突變率。穿過大氣層，這些粒子還會為閃電創造通道，也許會引發一連串的野火。與此同時，輻射引發的大氣反應可能導致氮化合物降雨，這會使植物受精，吸收二氧化碳。通過這種方式，天體事件可能使氣候變冷，並幫助在 250 萬年前，即更新世開始時開啓了冰河時代。即使放在一起，這些影響也“不像恐龍滅絕事件——它更加微妙和局部，”布賴恩·托馬斯説，

當時很少有天文學家認為超新星造成了大滅絕，而願意相信它們的古生物學家就更少了。“從太空死亡總是很酷，”耶魯大學古生物學家平切利赫爾説。“證據很有趣，但還沒有真正達到納入我心理記錄的門檻。”

然而，超新星獵人認為，時間上更遠的其他爆炸離地球更近。他們認為這些超新星可以解釋一些缺乏習慣觸發因素的滅絕事件，例如火山爆發或小行星撞擊。堪薩斯大學勞倫斯分校的天文學家阿德里安·梅洛特 (Adrian Melott) 探索了附近的宇宙災難如何影響地球，他説現在是時候更仔細地探索地球歷史上的古代超新星撞擊歷史了。這不僅將幫助天體物理學家瞭解爆炸如何塑造太陽系附近併為其注入重元素，而且還可以為古生物學家提供一種思考全球變化的新方法。“這是新的和陌生的，”梅洛特説。“需要時間才能被接受。”

天文學家認為 ，每個世紀都會有一些超新星在銀河系中爆發。根據平均定律，在地球 45 億年的生命週期中，極少數一定在離地球非常近的地方爆炸——在 30 光年之內——具有潛在的災難性影響。即使是 300 光年外的爆炸，也應該會在被稱為超新星殘骸的碎片殼中吹出塵埃的形式留下痕跡。1970 年代，物理學家路易斯·阿爾瓦雷斯 (Luis Alvarez) 和他的地質學家兒子沃爾特·阿爾瓦雷斯 (Walter Alvarez) 開始研究與 6500 萬年前恐龍滅絕相關的沉積層時，他們期待找到超新星塵埃。相反，他們發現了銥，這是一種在地球表面很少見但在小行星中含量豐富的元素。

無論如何，Alvarezes 沒有尋找超新星塵埃的工具。因為地球已經主要由數十億年前，即太陽誕生之前的超新星形成的元素組成，所以大多數最近爆炸的痕跡都無法檢測到。然而，並非全部。在 1990 年代，天體物理學家意識到超新星塵埃也可能沉積半衰期為數百萬年的放射性同位素，這太短了，自地球誕生以來就一直存在。任何發現的都必須來自地質上最近的噴灑物。一個關鍵的示蹤劑是鐵 60，它是在大恆星的核心中鍛造的，它的半衰期為 260 萬年，不是在地球上自然產生的。

V. 阿爾圖尼亞/科學1990 年代後期，慕尼黑工業大學 (TUM) 的天體粒子物理學家 Gunther Korschinek 決定尋找它，部分原因是該大學擁有適合該任務的強大加速器質譜儀 (AMS)。電離樣品後，AMS 將帶電粒子提升到高能量，並將它們射出磁場。磁場將它們的路徑彎曲到一串探測器上；最重的原子偏轉最少，因為它們的動量更大。

將鐵 60 原子與同樣重但電荷不同的鎳 60 原子分離尤其具有挑戰性，但 TUM 的 AMS 建於 1970 年，是世界上為數不多的足以將它們分開的強大功能之一。

Korschinek 還需要正確的樣本：一個沉積了數百萬年的地質礦牀，其中可能會出現鐵信號。南極冰芯不起作用：它們只能追溯到幾百萬年左右。大多數海洋沉積物積累得如此之快，以至於任何鐵 60 都被稀釋到無法檢測到的水平。Korschinek 最終使用了德國研究船Valdivia 於 1976 年從北太平洋海山挖掘出的鐵錳結殼 。這些結殼生長在海牀的斑塊上，在那裏沉積物因斜坡或洋流而無法沉降。當水的 pH 值恰到好處時，金屬原子會選擇性地從水中沉澱出來，以每百萬年幾毫米的速度緩慢地形成礦物外殼。

Korschinek 和他的團隊將他們的樣品分成不同年代的層，化學分離出鐵，然後通過質譜儀發射原子。研究小組 在 1999 年的《物理評論快報》上報告説，他們在數千萬億個普通鐵原子中發現了 23 個鐵原子 - 60，其丰度最高的時間是不到 300 萬年前 。超新星地球化學時代已經開始. “我們是第一個開始實驗研究的人，”Korschinek 説。

其他人緊隨其後。 在世界其他地區的海洋地殼中發現了鐵 60，甚至在海洋沉積物微化石中也發現了鐵 60，這些生物的遺骸對超新星獵人很有幫助，它們吸收並濃縮了體內的鐵。大多數結果都指向了 200 萬到 300 萬年前的局部超新星——並暗示了幾百萬年前的第二個。

為了檢測痕量離子，澳大利亞加速器通過磁鐵發射樣品。TIM WETHERELL/物理研究學院/澳大利亞國立大學儘管這些爆炸的殘餘物早已掃過地球，但它們吹出的原子細雨仍在繼續。2019 年，Korschinek 的團隊通過 AMS 從半噸的新鮮南極雪中提取鐵，發現了少量的鐵 60 原子，他估計這些原子是在過去 20 年中落到地球上的。另一個團隊在太陽和地球之間的一個位置發現了由美國宇航局高級成分探測器探測到的宇宙射線中的少量原子。研究人員甚至在阿波羅任務帶回的月球土壤中發現了鐵 60。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校 (UIUC) 的天文學家 Adrienne Ertel 説：“月球證實了它不僅僅是地球上的一些現象。”

Dieter Breitschwerdt 正試圖追蹤鐵在天空中的來源。當柏林工業大學的天文學家得知 Korschinek 的結果時，他正在研究局部氣泡，太陽系周圍的一個空間區域清除了大部分氣體和塵埃。超新星很可能是掃帚星，因此他開始追蹤太陽系附近的恆星羣，看看是否有任何恆星在它們的一些成員爆炸時離太陽足夠近以在地球上沉積鐵 60。

使用來自歐洲恆星測繪衞星 Hipparcos 的數據，Breitschwerdt 尋找共同軌跡上的恆星團塊，然後倒轉時鐘，看看它們在數百萬年前的位置。兩團，現在是天蠍座-半人馬座 OB 協會 (Sco OB2) 的一部分，似乎在大約 250 萬年前距離地球 300 光年的完美位置。“這看起來像是一個奇蹟，”他説。在正確的時間引爆的可能性很大。核心坍縮超新星發生在大質量恆星中。根據剩餘在團塊中的 79 顆恆星的年齡和質量，Breitschwerdt 估計，在過去的 1300 萬年中，有十幾顆前成員以超新星的形式爆炸。

Sco OB2 中這些超新星的可見證據早已不復存在：超新星殘餘物在大約 30,000 年後消散，它們留下的黑洞或中子星很難被發現。但理論上，鐵粉的到達方向可以指向其來源。來自海底的樣本沒有提供方向信息，因為風和洋流在塵埃沉降時會移動塵埃。然而，在月球上，“沒有大氣層，所以它撞擊的地方就是它停止的地方，”UIUC 天文學家布賴恩菲爾茲説。因為它自轉，月球無法提供縱向方向，但如果在其中一個極點檢測到的鐵 60 多於赤道，例如，這可以支持 Breitschwerdt 的 Sco OB2 作為來源。菲爾茲和幾位同事想測試這個想法，並已向美國宇航局申請月球土壤樣本，

KORSCHINEK 的團隊 現在在尋找超新星鐵的過程中遇到了一個競爭對手：由 Korschinek 的前博士後安東·沃爾納 (Anton Wallner) 領導的一個小組，他使用澳大利亞國立大學 (ANU) 升級的 AMS 來分析從太平洋海底挖出的幾個鐵錳結殼一家日本礦業公司。“現在我們推動了慕尼黑，”沃爾納説。

今年，在《 科學》雜誌上，沃爾納的團隊通過將地殼樣本切成 24 個 1 毫米厚的層，每層代表 40 萬年，從而比以往任何時候都更精確地探測了最近超新星爆發的時間。“以前從未有過這種時間分辨率，”現在在德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心工作的沃爾納説。他們提取的 435 個鐵 60 原子將最近的超新星固定在 250 萬年前，並證實了較早的超新星的暗示，他們將其定位在 630 萬年前。將地殼中鐵 60 的丰度與超新星產生量的模型進行比較，該團隊估計這些超新星的距離在 160 到 320 光年之間。

（插圖）V. ALTOUNIAN/科學；（製圖諮詢）KEVIN JARDINE；（資料）歐洲航天局蓋亞任務沃爾納的團隊還發現了 181 個鈈 244 原子，這是另一種放射性同位素，但可能是在超新星爆炸本身而不是前體恆星（如鐵 60）中鍛造的。但它的來源引起了激烈的爭論：一些研究人員認為鈈 244 很難讓超新星大量產生。相反，他們將其視為中子星（超新星留下的煤渣）之間碰撞的產物。

這些碰撞，稱為千新星，比超新星罕見 100 倍，但在製造最重的元素方面效率更高。“中子星合併很容易製造鈈，”聖母大學的天體物理學家麗貝卡·蘇爾曼説。“對於超新星來説，這要困難得多。”

蘇爾曼仍然認為超新星的作用。她將報告的海底鈈 244 視為過去深處的千新星，用重元素給我們的星際社區撒上灰塵的跡象。她推測，當最近的兩顆超新星爆發時，它們不斷擴大的殘餘物可能已經掃過並帶來了一些星際鈈 244 以及它們自己的鐵 60。然而，Korschinek 表示，需要更多關於鈈信號及其時間的數據才能讓他相信多起罕見事件發生在如此近和如此近的時間。

除了 用稀有原子核噴灑地球外，附近的超新星還會產生什麼影響？2016 年，由梅洛特和托馬斯領導的團隊估計了可能從 300 光年外的爆炸到達地球的各種形式的光和宇宙射線的通量。他們在《天體物理學雜誌快報》中寫道 ，他們得出的結論是，最具活力、最具破壞性的光子——X 射線或伽馬射線——的影響最小。“沒有很多高能輻射，”托馬斯説。他們建議幾周的強光不會比擾亂睡眠模式產生更大的影響。

宇宙射線——被超新星膨脹的火球中的衝擊波加速到接近光速的粒子——是另一回事。因為它們是帶電的，所以它們可以被銀河磁場偏轉離開地球。但當地的氣泡被認為大多沒有場，因此來自僅 300 光年外的宇宙射線將有一個相對乾淨的鏡頭。

梅洛特和托馬斯發現，大氣層會受到長時間的彈幕攻擊。“上升是一個緩慢的過程，至少需要幾十年，”托馬斯説，在超新星爆發後約 500 年達到峯值，並導致大氣氣體電離增加 10 倍，並將持續 5000 年。使用美國宇航局開發的大氣化學模型，他們估計由電離引起的化學變化會在某些地方消耗約 7% 或更多的臭氧，並將使施肥的氮氧化物化合物的產生增加 30%。由此產生的植物激增可能足以冷卻氣候並迎來更新世。

宇宙射線還沒有完成。當高能粒子撞擊高層大氣時，它們會產生二級粒子級聯。大多數在進一步的碰撞中失敗，但 μ 子——電子的短壽命表親——繼續前進。地球表面的生物將接受正常輻射劑量的三倍——相當於每年進行一到兩次 CT 掃描。“增加了[癌症]風險，但不會增加輻射中毒，”托馬斯説。總體而言，該團隊認為這些影響“不是災難性的”，但可以在化石記錄中檢測到，例如，如果某些脆弱物種消失而其他物種倖存下來。

來自太平洋海底的礦物地殼同時含有鐵 60 和鈈 244。

 木下紀和在 2019年的《 天體生物學》(Astrobiology)中，梅洛特 (Melott) 和兩位同事發現，如果這顆超新星在距地球 150 光年而不是 300 光年的地方爆炸，那麼 μ 子輻射會對海洋動物造成驚人的打擊。水阻擋了從天而降的大部分粒子，但 μ 子可以穿透 1 公里。通常情況下，海洋生物幾乎不受所有輻射的影響，它們的劑量相對增加最大，受害最深。這與更新世開始時海洋巨型動物的滅絕相吻合，最近才在化石記錄中發現。

然後，去年，超新星的支持者提出，類似的情景可以解釋 3.59 億年前泥盆紀末期的一次大滅絕事件。由南安普敦大學約翰馬歇爾領導的一個團隊發現，當時蕨類植物的孢子突然變得畸形和黑暗，將這種變化歸咎於紫外線輻射。該團隊沒有援引天文原因。但是寫在 美國國家科學院院刊上，天文學家看到了附近超新星的可能特徵。他們認為，距離地球只有 60 光年的爆炸可能會耗盡臭氧層，從而使地球被紫外線浸透。“這非常具有推測性，”合著者、倫敦國王學院的理論家約翰·埃利斯承認，因為目前無法識別那麼遠的超新星的放射性指紋。

在 2020 年發表在《地質學雜誌》上的一篇論文中 ，梅洛特和托馬斯進行了更大的推測性飛躍。他們指出，通過從空氣分子中提取電子，次級宇宙射線會為閃電創造路徑，使風暴更有可能發生，這不僅會產生更多的氮化合物，還會引發野火。有趣的是，在更新世開始時，在世界某些地區的岩石記錄中發現了一層煙灰。梅洛特和托馬斯繼續提出，那些超新星引發的森林火災可能將早期人類從樹林中推到了稀樹草原上，導致了雙足行走、更大的大腦尺寸以及隨之而來的一切。“説 250 萬年前的超新星意味着我們現在正在通過 Skype 交談，這很有趣，”Korschinek 説。

古生物學家不喜歡這樣的場景。“時間是解決一切問題的微不足道的答案，”赫爾説。“當事物滅絕時，總會發生一些事情。” 此外，她説，向更新世的過渡“並不需要解釋。” 她説，當時的其他事件可能對全球氣候產生更大的影響，例如巴拿馬地峽的關閉，這深刻地改變了海洋環流。

她説，為了證明他們的觀點，天文學家需要更精確地確定古代超新星的時間。他們“需要測量更多的外殼”。但是尋找超新星蹤跡並沒有變得更容易。2019 年，TUM 關閉了 AMS，只剩下 ANU 擁有足以分離鐵 60 的加速器。

相比之下，鈈 244 等稀有同位素可以讓研究人員回顧過去，但他們需要一個強調靈敏度而不是原始功率的 AMS，Wallner 説世界上只有少數人能勝任這項工作。他已經獲得資金在德國德累斯頓建造一個新的 AMS 設施，專門研究最重的元素，該設施應該在 2023 年開放。為了重新尋找 60 號鐵，他的團隊還為建立一個國家資金進行了宣傳新的高能 AMS，可在 7 年內啓動並運行。

對於天文學家來説，今天天空中突然出現的一道閃光將是瞭解超新星如何影響地球的最佳機會。但是，我們看到一場燈光秀的可能性很小，就像可能讓我們遙遠的祖先眼花繚亂的那樣。參宿四是一顆可能在未來 100,000 年的某個時候爆炸的不穩定紅巨星，最近幾個月已經穩定下來，無論如何，它距離我們 500 多光年遠。Sco OB2 現在正在遠離太陽。使用來自 Hipparcos 的繼任者歐洲蓋亞任務的數據，Breitschwerdt 追蹤了另外 10 團恆星。“沒有人靠近，”他説。“未來”——對地球來説，而不是超新星——“是光明的。”