超新星向地球噴射放射性碎片是一種令人驚訝的常見宇宙現象
您可能會經常看到這樣的描述:一顆恆星在太陽系附近爆炸。不過,對於天文學家來說,”附近”的含義與其他人不同。在這種情況下,大約160 光年(或1.5 誇億公里)範圍內的超新星就符合條件。在人類的尺度上,這幾乎是一個深不可測的距離。從銀河系的尺度來看,它就在我們的附近。
錢德拉X 射線天文台和哈伯太空望遠鏡分別從X 射線和光學角度觀察到的超新星產生的巨大、不斷膨脹的碎片雲。 X 射線NASA/CXC/GSFC/BJ Williams 等;光學:NASA/ESA/STSCI
儘管如此,超新星還是要走很長一段路,超新星相當罕見,在像銀河系這樣的大星系中,大約每百年才會發生一次。因此,任何一顆正在爆炸的恆星都很有可能離地球非常遙遠,而且只會上演一場漂亮的光影秀(如果我們能透過籠罩在銀河係部分地區的厚厚塵埃看到它的話)。
但請注意我說的”任何一顆爆炸的恆星”。相對罕見事件的特徵是,只要有足夠的時間,它們就會發生。我們還是得從宇宙尺度來考慮:一般來說,一個世紀一顆超新星,也許就是人類一生一次。但是星系(和地球)已經存在了數十億年。這已經足夠長的時間,足以讓”近在咫尺”的超新星成為必然。
畢竟,我們有令人信服的物理證據證明,在我們星球的過去就發生過這種情況。
2016年,兩組天文學家在《自然》雜誌上發表了兩篇論文,結果令人震驚:他們在深海海底兩層不同的古代沉積物中發現了高含量的鐵60。每一層富含鐵60的沉積層都標誌著在過去900萬年裡,地球曾經遭受附近的超新星的轟擊。
鐵60 是鐵的一種放射性同位素,它衰變成鈷60 的半衰期為260 萬年。這意味著,如果從一個純鐵60 樣本開始,260 萬年後,其中一半將衰變為鈷60。再過260 萬年,原始樣本中剩餘的鐵60 又將衰變一半,只剩下最初鐵60 數量的四分之一,依此類推。科學家可以利用這種衰變速度,相對精確地測量出鐵60 的製造時間。
這反過來又很重要,因為我們只知道在一個天然的地方可以形成這種同位素:超新星的核火焰中。
在第一篇《自然》論文中,科學家研究了沉積在海底的星際塵埃,發現沉積物中鐵60的含量在750萬年前和250萬年前出現了兩個寬廣的峰值(在2016年的在另一項研究中,另一個科學家小組也在海底細菌化石中發現了鐵60,與約250萬年前的高峰一致)。奇怪的是,在《自然》雜誌的研究中,鐵60 的增加並不像你所期望的那樣,是由一顆超新星引起的尖峰。相反,在每個案例中,鐵60 的增加都分散在一百萬年以上的時間裡,這意味著每個事件都是由多個超新星造成的。研究人員的模型顯示,這些物質在墜落到地球之前,已經在星際空間中航行了大約20萬年。
在第二篇《自然》(Nature )論文中,隸屬於第一個研究小組的科學家利用這些數據估算了超新星在太空中的位置。鐵60 是大質量恆星爆炸時產生的。從宇宙學的角度來說,這種恆星賦予了”從搖籃到墳墓”新的含義,因為它們誕生於巨大的氣體雲中,幾百萬年後,當它們還被包裹在氣體雲中時就會死去。
該雜誌的第二項研究指出,這兩顆超新星最有可能的罪魁禍首是天蠍座-半人馬座星團,這是一個由年輕恆星組成的鬆散星團,目前距離地球約390 至470 光年。其中許多恆星的質量都相當大,正是那種在生命末期爆炸的恆星。此外,我們的太陽位於所謂的”本地氣泡”(Local Bubble)中間附近,這是由漂浮在銀河系恆星之間的星際物質形成的一個巨大空腔。這個氣泡是由大約1400萬年前天蠍座-半人馬座聯合體中的超新星膨脹而成的,可能需要14到20顆這樣的爆炸恆星的努力。這一時間軸與在海洋沉積物中觀測到的鐵60 峰值非常吻合。
科學家發現,最近的峰值可能是兩顆超新星造成的,一顆在230 萬年前爆炸,另一顆在150 萬年前爆炸。這兩顆恆星爆炸時距離地球約300 光年。沉積物中鐵60 的含量實際上很少,每克物質中大約有10 萬個原子。 (要知道,一克沉積物中大約有1022個原子,所以鐵60 只佔極小的一部分!)。但令人吃驚的是,距離我們四兆千公尺的恆星爆炸產生的碎片竟然也存在。
也要記住,鐵60 只佔超新星噴出物質的一小部分。其餘的噴出物質–超過1080億公噸,所以很多–也以每小時數千萬公里的速度向外加速。隨著物質向遠離爆炸點的方向膨脹,它們會變得越來越稀薄,所以當附近一顆超新星的噴出物到達地球時,也許有幾百公噸的物質會在一段時間內降落在我們的星球上。這聽起來似乎很多,但每天大約有同樣數量的隕石撞入我們的大氣層。因此,超新星並不會明顯增加地球的重量,也不會以這種方式為我們帶來巨大的危險。
儘管如此,我們還是得到了驚人的啟示:每隔幾百萬年,就會有一顆超新星在離地球足夠近的地方爆炸,使我們受到放射性碎片的襲擊。這意味著,在我們地球的生命週期中,我們已經被恆星爆炸產生的灰燼擊中了成千上萬次,其中一些物質很可能已經接近到足以造成我在上一篇文章中描述的一些全球性破壞的程度。
就最近已知的鄰近超新星的具體情況而言,雖然當時人類並不存在,但我們的幾位近祖,如澳人猿(Australopithecus afarensis )卻存在。其中一個綽號”露西”的物種在大約300 萬年前來到地球。她可能錯過了那個特殊的事件,但如果是這樣的話,她的後代可能會仰望天空,並對出現在那裡的令人驚訝的亮光感到好奇。它的亮度足以在白天看到,在夜晚投下陰影。
數百萬年後的今天,我們仍在思考同樣的問題。不同的是,現在我們有了工具來研究和理解這些宇宙爆炸對我們星球的深遠影響。