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超新星是古生物滅絕的兇手嗎?

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撰文者:陳勁豪 博士 (臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心專案計畫助理研究員)
發文日期:2016-08-16
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  • 根據一項新的研究結果,超新星爆炸可能會對地球上的生物造成影響,甚至可能是過去生物大滅絕的原因之一。
     
    STScl-2005-15
    哈伯太空望遠鏡觀測到位於大麥哲倫雲中N63A超新星爆炸的遺跡(Wikimedia Commons)

    最近有幾項實驗結果發現,在太平洋、大西洋、以及印度洋的海床中,於650到800萬年前和170到320萬年前這兩個時期的沉積物中,都含有比背景更多的鐵60同位素,這個現象甚至可以在月球岩石的樣本中觀察到。一般認為這些同位素並不是來自地球本身,而是由距離地球約300光年左右的超新星爆炸。當超新星爆炸的時候,這些鐵同位素就跟著飛散到宇宙的各個角落,例如地球與月球表面。如果這個假設成立,那麼我們可以認為,儘管距離遙遠,超新星爆炸還是會對地球造成影響。

    除了同位素之外,超新星爆炸會產生相當多的高能量宇宙射線。這些宇宙射線也會像鐵60一樣進入地球。那麼這些宇宙射線對地球的影響到底有多大?美國Washburn University的Brian Thomas跟他的研究團隊利用電腦模擬來研究這些宇宙射線對地球的影響。他們的模擬結果顯示,如果能量在藍光與紫外光範圍的話,這些宇宙射線對地球的影響基本上相當微小。不太可能對地球上的生命造成傷害。

    但是如果把考慮的範圍延伸到更高能量,例如能量在1 TeV以上的宇宙射線,這時這些宇宙射線因為能量夠高,所以可以穿過太陽風與地球磁場,直接進入地球的大氣層。事實上,這些高能量的宇宙射線還不是真正的問題,因為畢竟數量還是不太多。真正的關鍵在這些宇宙射線進入大氣層後會與空氣中的分子碰撞而產生大量的其他粒子,例如質子、中子、渺子、以及電子等等。如果宇宙射線的能量稍低,那他們通常會在平流層 (地表以上10到50公里的位置) 與大氣層發生反應,這些產生出來的大量粒子可能會破壞臭氧層。而這些TeV能量等級的粒子因為能量更高,所以可以穿透到更內部的對流層,甚至進入1公里深的海裡。

    這些穿透進大氣層的高能粒子相當於給地表的生物增加了輻射曝曬量。一般而言,我們所接受到的背景輻射中,有六分之一是來自於這些來自宇宙的高能量渺子。根據他們的計算,超新星爆炸大概會讓這些高能量渺子的數量增加至二十倍,大約相當於正常輻射量的三倍左右。以目前一般評估的標準,大約相當於地球上所有的生物每年多接受了做了一次電腦斷層掃描的輻射量。

    這些輻射劑量說多不多,但畢竟總是比一般的正常劑量更多一些。所以還是有可能還是對地球上的大量生命造成影響。這些較高的背景輻射會對那些比較不耐輻射的生命受到更多的影響,甚至因此滅絕。在293萬年前,地球上的生物曾經發生過一次較小型的滅絕,或許超新星爆炸也是造成這些滅絕的原因之一。


    原始論文:
    TERRESTRIAL EFFECTS OF NEARBY SUPERNOVAE IN THE EARLY PLEISTOCENE
    The Astrophysical Journal Letters, Volume 826, Number 1
    http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8205/826/1/L3

    相關報導:
    Physicsworld 2016/07/18: Nearby supernovae could have affected life on Earth
    http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/jul/18/nearby-supernovae-could-have-affected-life-on-earth
    Space.com 2016/07/11
    Did Supernova Explosion Contribute to Earth Mass Extinction?
    http://www.space.com/33379-supernova-explosions-earth-life-mass-extinction.html
    CASE讀報2016/05/02:從地層中研究超新星爆炸
    http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=24424
    CASE讀報2016/05/09:在月球尋找超新星的遺跡
    http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=24506
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