樹木的年輪,隱藏著超新星的秘密
2020年12月05日10:03

  文章來源:原理

  每時每刻,宇宙中都在上演著我們肉眼無法看見的、最激烈的電影。

  例如,我們在夜空中看到的點點繁星,它們看似安靜,但實際上在它們的一生中都在上演著一場龍爭虎鬥:向外的熱壓力時刻都與向內的引力對抗著。在大部分的時間里,這兩種力都會保持平衡,防止恒星因引力的擠壓而坍縮。

恒星內部向內與向外的力相互平衡。| 圖片來源:NASA
恒星內部向內與向外的力相互平衡。| 圖片來源:NASA

  然而,當一顆巨大的恒星走到生命末期時,它的燃料逐漸耗盡,這種平衡就會被打破。隨著恒星內部的核聚變逐漸減慢,引力就會開始掌控,使恒星坍縮。

  想像一下,短短十數秒的時間內,一個質量至少比太陽大8倍的恒星迅速坍縮,產生巨大的衝擊波,導致恒星的外層爆炸,形成超新星。超新星爆發後,最終會留下密度極高的核心和不斷膨脹的星雲,著名的蟹狀星雲就是這樣形成的。如果這顆恒星的質量足夠大,爆炸後甚至可以形成宇宙中最緻密的天體——黑洞。

  超新星爆發時的峰值亮度是太陽的幾十億倍,在幾天甚至幾個月內,它的光芒甚至可以超過整個星系。同時,爆發產生的X射線和伽馬射線可以殺死半徑50光年內所有生命。即使距離更遠一些,爆發的能量也有可能剝離地球上的臭氧層,使地球表面暴露在外太空的輻射中。所幸超新星爆發的頻率並不高,在像銀河系這樣的星系中,每個世紀大約會出現兩到三次超新星爆發,因此地球目前還是安全的。

  但即使是距離地球幾千光年外的超新星爆發,依然會在地球上留下痕跡。在近期發表在《國際天體生物學期刊》上的研究中,科羅拉多大學博爾德分校的地球科學家Robert Brakenridge提出,樹木的年輪或許可以成為超新星爆發的記錄。Brakenridge和他的團隊研究了古樹的年輪,對其中的碳-14同位素進行的研究,並找到了超新星爆發的證據。

  碳-14是碳元素的一種具放射性的同位素,由6個質子和8個中子組成。由於這種同位素具有放射性,可以根據其半衰期測定年代,常用於放射性測定年代法。

  地球每時每刻都會受到宇宙射線的撞擊,太陽活動和超新星爆發都是宇宙射線的主要來源。當具有放射性的宇宙射線進入大氣層,並轟擊平流層和對流層時,它會與空氣中的氮原子發生核反應,並形成碳-14同位素。由於宇宙射線以較為恒定的強度進入大氣層,因此地球上碳-14同位素的含量也相對較為穩定。地球上只有兆分之一的碳是以碳-14同位素的形式存在。

宇宙射線會與氮原子發生反應,形成碳-14同位素。
宇宙射線會與氮原子發生反應,形成碳-14同位素。

  同時,地球上的樹木可以吸收碳-14同位素,因此古樹年輪中的放射性濃度記錄下了萬年來地球上碳-14同位素的數量變化。

  研究團隊測量了古樹年輪中的碳-14含量發現,在過去15000年中,古樹中碳-14同位素的吸收出現過多次大幅增長。這種增長通常被解釋為太陽耀斑和太陽風暴的證據,但Brakenridge提出,或許它們並不是太陽活動導致的,而應當歸因於超新星爆發的影響。

  為了驗證這一假說,研究篩選出了在過去50000年內與地球距離不超過1.5千秒差距(約5000光年)的超新星爆發事件,共有18次。研究團隊收集整理了這18次超新星爆發的信息,包括距今時間、與地球相隔的距離、放射性射線的能量,通過理論和模型估算了每次超新星爆發會使地球上新生成多少碳-14同位素,也就是碳-14同位素新增量的理論值。

  然後,研究團隊將每次爆發事件對應的碳-14同位素新增量理論值和同一時期樹木年輪中碳-14同位素的新增量進行了對比。超新星爆發與地球距離越近,地球可以接收到越多放射性射線,碳-14同位素的增長越多。因此,研究人員發現,對於距離地球最近的8次超新星爆發,這兩個數值的對應關係比較顯著。在其中4次超新星爆發中,這一對應關係格外顯著。

  比如,Vela是一顆距離地球800光年的超新星,大約在12300年前爆發,同一時期年輪中的碳-14同位素含量增加了3%;而S165是一顆距離地球約2300光年的超新星,爆發時間約7700年前,同一時期碳-14同位素含量上升了2%。

左圖為與Vela超新星爆發同一時期的樹木年輪中碳-14同位素含量的變化,右圖為與S165超新星爆發同一時期的樹木年輪中碳-14同位素含量的變化。| 圖片來源:Brakenridge, G。 R。
左圖為與Vela超新星爆發同一時期的樹木年輪中碳-14同位素含量的變化,右圖為與S165超新星爆發同一時期的樹木年輪中碳-14同位素含量的變化。| 圖片來源:Brakenridge, G。 R。

  根據結果,研究人員認為,年輪中碳-14同位素的增長很有可能是由超新星爆發引起的。然而,僅根據目前的證據還不足以下定論,碳-14同位素的增長由太陽活動引起的可能性也無法被完全排除。

  研究後續還需要進行定量分析,通過進一步觀察和建模來確定超新星爆發的輻射與碳-14的增長是否在一定範圍內成比例。同時,目前也有研究專注於冰芯中Be-10和Cl-36同位素含量的研究。這兩種放射性同位素的生成同樣與宇宙射線有關,它們或許可以提供更多證據。

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