超新星向地球喷射放射性碎片是一种令人惊讶的常见宇宙现象

2024年05月30日 08:44 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

您可能会经常看到这样的描述:一颗恒星在太阳系附近爆炸。不过,对于天文学家来说,"附近"的含义与其他人不同。在这种情况下,大约 160 光年(或 1.5 夸亿公里)范围内的超新星就符合条件。在人类的尺度上,这几乎是一个深不可测的距离。从银河系的尺度来看,它就在我们的附近。

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钱德拉 X 射线天文台和哈勃太空望远镜分别从 X 射线和光学角度观察到的超新星产生的巨大、不断膨胀的碎片云。X 射线NASA/CXC/GSFC/B.J. Williams 等人;光学:NASA/ESA/STSCI

尽管如此,超新星还是要走很长一段路,而且超新星相当罕见,在像银河系这样的大星系中,大约每百年才会发生一次。因此,任何一颗正在爆炸的恒星都很有可能离地球非常遥远,而且只会上演一场漂亮的光影秀(如果我们能透过笼罩在银河系部分地区的厚厚尘埃看到它的话)。

但请注意我说的"任何一颗爆炸的恒星"。相对罕见事件的特点是,只要有足够的时间,它们就会发生。我们还是得从宇宙尺度来考虑:一般来说,一个世纪一颗超新星,也许就是人类一生一次。但是星系(和地球)已经存在了数十亿年。这已经足够长的时间,足以让"近在咫尺"的超新星成为必然。

毕竟,我们有令人信服的物理证据证明,在我们星球的过去就发生过这种情况。

2016年,两组天文学家在《自然》杂志上发表了两篇论文,结果令人震惊:他们在深海海底两层不同的古代沉积物中发现了高含量的铁60。每一层富含铁60的沉积层都标志着在过去的900万年里,地球曾遭受过附近一颗超新星的轰击。

铁 60 是铁的一种放射性同位素,它衰变成钴 60 的半衰期为 260 万年。这意味着,如果从一个纯铁 60 样本开始,260 万年后,其中一半将衰变为钴 60。再过 260 万年,原始样本中剩余的铁 60 又将衰变一半,只剩下最初铁 60 数量的四分之一,依此类推。科学家可以利用这种衰变速度,相对准确地测量出铁 60 的制造时间。

这反过来又很重要,因为我们只知道在一个天然的地方可以形成这种同位素:超新星的核火焰中。

在第一篇《自然》论文中,科学家们研究了沉积在海底的星际尘埃,发现沉积物中铁60的含量在750万年前和250万年前出现了两个宽广的峰值(在2016年的另一项研究中,另一个科学家小组也在海底细菌化石中发现了铁60,与约250万年前的峰值一致)。奇怪的是,在《自然》杂志的研究中,铁 60 的增加并不像你所期望的那样,是由一颗超新星引起的尖峰。相反,在每个案例中,铁 60 的增加都分散在一百万年以上的时间里,这意味着每个事件都是由多个超新星造成的。研究人员的模型显示,这些物质在坠落到地球之前,在星际空间中航行了大约20万年。

在第二篇《自然》(Nature )论文中,隶属于第一个研究小组的科学家们利用这些数据估算出了超新星在太空中的位置。铁 60 是大质量恒星爆炸时产生的。从宇宙学的角度来说,这种恒星赋予了"从摇篮到坟墓"新的含义,因为它们诞生于巨大的气体云中,几百万年后,当它们还被包裹在气体云中时就会死去。

该杂志的第二项研究指出,这两颗超新星最有可能的罪魁祸首是天蝎座-半人马座星团,这是一个由年轻恒星组成的松散星团,目前距离地球约 390 至 470 光年。其中许多恒星的质量都相当大,正是那种在生命末期爆炸的恒星。此外,我们的太阳位于所谓的"本地气泡"(Local Bubble)中间附近,这是由漂浮在银河系恒星之间的星际物质形成的一个巨大空腔。这个气泡是由大约1400万年前天蝎座-半人马座联合体中的超新星膨胀而成的,可能需要14到20颗这样的爆炸恒星的努力。这一时间轴与在海洋沉积物中观测到的铁 60 峰值非常吻合。

科学家们发现,最近的峰值可能是两颗超新星造成的,一颗在 230 万年前爆炸,另一颗在 150 万年前爆炸。这两颗恒星爆炸时距离地球约 300 光年。沉积物中铁 60 的含量实际上很少,每克物质中大约有 10 万个原子。(要知道,一克沉积物中大约有1022个原子,所以铁 60 只占极小的一部分!)。但令人吃惊的是,距离我们四万亿千米的恒星爆炸产生的碎片竟然也存在。

还要记住,铁 60 只占超新星喷出物质的一小部分。其余的喷出物质--超过1080亿公吨,所以很多--也以每小时数千万公里的速度向外加速。随着物质向远离爆炸点的方向膨胀,它们会变得越来越稀薄,所以当附近一颗超新星的喷出物到达地球时,也许有几百公吨的物质会在一段时间内降落在我们的星球上。这听起来似乎很多,但每天大约有同样数量的陨石撞入我们的大气层。因此,超新星并不会明显增加地球的重量,也不会以这种方式给我们带来巨大的危险。

尽管如此,我们还是得到了惊人的启示:每隔几百万年,就会有一颗超新星在离地球足够近的地方爆炸,使我们受到放射性碎片的袭击。这意味着,在我们地球的生命周期中,我们已经被恒星爆炸产生的灰烬击中了成千上万次,其中一些物质很可能已经接近到足以造成我在上一篇文章中描述的一些全球性破坏的程度。

就最近已知的邻近超新星的具体情况而言,虽然当时人类并不存在,但我们的几位近祖,如澳人猿(Australopithecus afarensis )却存在。其中一个绰号"露西"的物种在大约 300 万年前来到地球。她可能错过了那次特殊的事件,但如果是这样的话,她的后代可能会仰望天空,并对出现在那里的令人惊讶的亮光感到好奇。它的亮度足以在白天看到,在夜晚投下阴影。

数百万年后的今天,我们仍在思考同样的问题。不同的是,现在我们有了工具来研究和理解这些宇宙爆炸对我们星球的深远影响。

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