宇宙中最為壯麗的煙花
當你晚上仰望星空的時候,有沒有想過這些滿天的繁星其實是有生命的?當它們走到生命盡頭的時候,會以不同的方式結束自己的生命。超新星爆發就是恆星結束自己生命的一種方式,它用極其絢麗的煙花為自己的一生閉幕。在超新星爆發過程中,恆星會在瞬間釋放大量的能量,亮度也隨之劇增,以至於在整個銀河系中都能看見它的光輝,可以稱之為「宇宙中最為壯麗的煙花」。
超新星的巨大威力
在超新星爆發過程中瞬間釋放的能量高達1046焦耳。小夥伴們可能對這個數字沒有什麼直觀的概念。還是舉個例子吧,看過《流浪地球》的小夥伴們對電影中的「行星發動機」肯定印象深刻吧。為了推動地球逃離太陽的引力束縛,全球各地興建了大量行星發動機,就是為了給地球加速到第三宇宙速度(16.7km/s)。
地球脫離太陽系後,「行星發動機」全功率開啟,將用五百年的時間加速至光速的千分之五。可見要讓地球去流浪還是非常困難的(廢話,地球辣么大,肯定困難啊!)。那麼假如超新星爆發中釋放的能量全部用來給我們的地球加速,可以加速到多少呢?答案是298300km/s,也就是99.5%的光速!
這下小夥伴們對超新星爆發的威力有點概念了吧。可以說,我們用超超超超級核爆來形容超新星爆發一點都不為過。
超新星爆發釋放的能量可將地球加速至近光速
地球附近的超新星爆發
超新星爆發在整個銀河系中並不多見,大約每世紀1~2個的樣子。在幾百萬年以前,地球附近就可能發生過超新星爆發事件!聽起來可能有點駭人聽聞,可我們科學家說話是講證據的。那麼,我們是怎麼知道那麼多年以前發生的超新星爆發事件呢?這裡我們還得感謝鐵元素的一個同位素:鐵-60。
提到鐵大家並不陌生,日常生活中的鐵到處都是,我們平常接觸到的鐵大部分(90%以上)都是鐵-56,另外還有少量的鐵-54,鐵-57和鐵-58。可見我們日常生活中所接觸到的鐵裡面是沒有鐵-60的。這是因為它的半衰期跟地球的年齡比起來實在是太短了,只有大約260萬年。也就是說每過260萬年,鐵-60的數量就會減少(衰變掉)一半,而目前地球的年齡是大約45億年,可見即使一開始地球上有鐵-60存在,到現在也都衰變完了。
然而有趣的是,科學家利用非常靈敏的加速器質譜技術,在太平洋海底的岩石表層裡面居然發現了微量的鐵-60同位素的存在(每個樣品中發現了約幾十個鐵-60原子)。而且這些鐵-60原子並不是均勻分布在這些岩石樣本中的,而是只存在於某一特定深度下,這就引起了科學家們的極大興趣。
我們知道,海底岩石中不同深度的樣本記錄了不同年代的考古學信息,就像樹的年輪一樣,記錄了不同年份的氣候情況。既然這些鐵-60原子不可能來自於形成地球的「原材料」,那麼它們又是哪來的呢?又為什麼會出現在地球上呢?
目前最合理的解釋是,地球上所發現的這些鐵-60是來自於很久以前地球附近發生的某次超新星爆發事件。科學家通過分析鐵-60原子在樣本中出現的深度信息發現,該超新星爆發事件出現在大約3百萬年以前。 無獨有偶,科學家們分析了上個世紀阿波羅號探月飛船帶回來的月球表面樣本,也同樣發現了鐵-60的痕迹,因此地球附近發生過超新星爆發的猜想得到了進一步的證實。
鐵-60的合成
好奇的小夥伴可能會問,鐵-60是怎麼產生的?它們又是怎麼跑到地球上的呢?
這個,故事還得從頭說起。在恆星形成的時候,形成它的「原材料」中就有微量的鐵元素,這些鐵元素的成分和我們日常生活中的鐵類似,是不含有鐵-60的。在恆星演化的某些階段中,這些鐵元素中的鐵-58會吸收一個中子,變成鐵-59。而鐵-59則有兩條路可走:一是通過β衰變變成鈷的同位素鈷-59;二是它會再吸收一個中子變成鐵-60。這樣在恆星中就實現了鐵-60從無到有的奇妙變化。
當恆星演化到最後階段時,它會通過超新星爆發向宇宙中噴撒出大量物質,其中就包括鐵-60同位素。如果這個超新星爆發事件距離地球足夠近的話,有些鐵-60原子就會飄落在地球上,最終在3百萬年之後被科學家所發現。
細心的小夥伴可能會發現,雖然鐵-59有兩條路可走,但只有其中一條路會才變成鐵-60,另一條路是通往鈷-59的。那麼鐵-59到底更喜歡走哪條路呢?萬一它更喜歡變成鈷-59怎麼辦?那豈不是就不會有鐵-60了嗎?
為了回答這個問題,科學家們必須通過實驗精確測量鐵-59的β衰變速率以及它吸收中子的速率,通過比較二者的速率大小,就可以確定鐵-59走這兩條路的分支比,這樣我們才能更清楚的知道地球上這些天外來客鐵-60到底是哪來的,它們的故鄉距離地球到底有多遠,甚至確定它們是來自天上的哪顆星星。
該項研究內容吸引了天文學家,天體物理學家及核物理學家濃厚的研究興趣,也是目前國際上的研究熱點之一。
超新星爆發對地球的影響
此外,3百萬年前,那顆超新星爆發後,來光顧我們地球的可不僅僅是鐵-60哦,還有各種各樣其它元素的同位素,以及大量的高能γ射線等。而這些高能γ射線可導致大氣上層的氮氣與氧氣發生反應生產氮氧化物,最終導致臭氧層減少,使得地球上的生物受到強烈的紫外線照射;同時來自超新星的輻射還會引起大氣層的電離,可能導致雷電和其他一些列效應,這對當時地球的生態環境和全球氣候肯定是造成了不小的影響。
有趣的是,大約在同一時期(250萬年以前),全球氣候也發生了劇烈變化,由較暖的上新世過渡到了較冷的更新世(亦稱冰川世),而人類也隨之出現。雖然目前我們尚不能確定超新星爆發和更新世的出現是否存在聯繫,但這無疑是一項非常有意思的研究。
來源:中國科學院近代物理研究所
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