爆炸的恒星可能袭击了古代地球

对于我们  250万年前漫游非洲的南方古猿祖先来说，天空中那颗明亮的新星肯定会引起人们的好奇。就像满月一样明亮，它会在晚上投下阴影，而在白天可见。随着这颗超新星在接下来的几个月里逐渐消失，它可能也从记忆中消失了。但它留下了其他痕迹，现在浮出水面。

在过去的 20 年里，研究人员发现了数百个放射性原子，它们被困在海底矿物中，这些原子来自标志着附近恒星死亡的古代爆炸。它的聚变燃料耗尽，这颗恒星坍塌，产生的冲击波将其外层炸开，形成一个膨胀的气体和尘埃球，温度如此之高，以至于它短暂地发出了像星系一样明亮的光芒——并最终让地球上充满了那些有迹象的原子。

从数百光年外爆发的 X 射线和伽马射线的闪光可能对地球没有伤害。但膨胀的火球也将宇宙射线——主要是氢和氦的原子核——加速到接近光速。几十年后，这些射弹悄悄到达，形成一个无形的连续炮弹，可能会持续数千年，并可能影响大气和生命。

在一系列研究和推测中，天文学家勾勒出它们的潜在影响。宇宙射线弹幕可能通过侵蚀地球的保护性臭氧层并产生次生的、穿透组织的粒子阵雨来提高突变率。穿过大气层，这些粒子还会为闪电创造通道，也许会引发一连串的野火。与此同时，辐射引发的大气反应可能导致氮化合物降雨，这会使植物受精，吸收二氧化碳。通过这种方式，天体事件可能使气候变冷，并帮助在 250 万年前，即更新世开始时开启了冰河时代。即使放在一起，这些影响也“不像恐龙灭绝事件——它更加微妙和局部，”布赖恩·托马斯说，

当时很少有天文学家认为超新星造成了大灭绝，而愿意相信它们的古生物学家就更少了。“从太空死亡总是很酷，”耶鲁大学古生物学家平切利赫尔说。“证据很有趣，但还没有真正达到纳入我心理记录的门槛。”

然而，超新星猎人认为，时间上更远的其他爆炸离地球更近。他们认为这些超新星可以解释一些缺乏习惯触发因素的灭绝事件，例如火山爆发或小行星撞击。堪萨斯大学劳伦斯分校的天文学家阿德里安·梅洛特 (Adrian Melott) 探索了附近的宇宙灾难如何影响地球，他说现在是时候更仔细地探索地球历史上的古代超新星撞击历史了。这不仅将帮助天体物理学家了解爆炸如何塑造太阳系附近并为其注入重元素，而且还可以为古生物学家提供一种思考全球变化的新方法。“这是新的和陌生的，”梅洛特说。“需要时间才能被接受。”

天文学家认为 ，每个世纪都会有一些超新星在银河系中爆发。根据平均定律，在地球 45 亿年的生命周期中，极少数一定在离地球非常近的地方爆炸——在 30 光年之内——具有潜在的灾难性影响。即使是 300 光年外的爆炸，也应该会在被称为超新星残骸的碎片壳中吹出尘埃的形式留下痕迹。1970 年代，物理学家路易斯·阿尔瓦雷斯 (Luis Alvarez) 和他的地质学家儿子沃尔特·阿尔瓦雷斯 (Walter Alvarez) 开始研究与 6500 万年前恐龙灭绝相关的沉积层时，他们期待找到超新星尘埃。相反，他们发现了铱，这是一种在地球表面很少见但在小行星中含量丰富的元素。

无论如何，Alvarezes 没有寻找超新星尘埃的工具。因为地球已经主要由数十亿年前，即太阳诞生之前的超新星形成的元素组成，所以大多数最近爆炸的痕迹都无法检测到。然而，并非全部。在 1990 年代，天体物理学家意识到超新星尘埃也可能沉积半衰期为数百万年的放射性同位素，这太短了，自地球诞生以来就一直存在。任何发现的都必须来自地质上最近的喷洒物。一个关键的示踪剂是铁 60，它是在大恒星的核心中锻造的，它的半衰期为 260 万年，不是在地球上自然产生的。

1990 年代后期，慕尼黑工业大学 (TUM) 的天体粒子物理学家 Gunther Korschinek 决定寻找它，部分原因是该大学拥有适合该任务的强大加速器质谱仪 (AMS)。电离样品后，AMS 将带电粒子提升到高能量，并将它们射出磁场。磁场将它们的路径弯曲到一串探测器上；最重的原子偏转最少，因为它们的动量更大。

将铁 60 原子与同样重但电荷不同的镍 60 原子分离尤其具有挑战性，但 TUM 的 AMS 建于 1970 年，是世界上为数不多的足以将它们分开的强大功能之一。

Korschinek 还需要正确的样本：一个沉积了数百万年的地质矿床，其中可能会出现铁信号。南极冰芯不起作用：它们只能追溯到几百万年左右。大多数海洋沉积物积累得如此之快，以至于任何铁 60 都被稀释到无法检测到的水平。Korschinek 最终使用了德国研究船Valdivia 于 1976 年从北太平洋海山挖掘出的铁锰结壳 。这些结壳生长在海床的斑块上，在那里沉积物因斜坡或洋流而无法沉降。当水的 pH 值恰到好处时，金属原子会选择性地从水中沉淀出来，以每百万年几毫米的速度缓慢地形成矿物外壳。

Korschinek 和他的团队将他们的样品分成不同年代的层，化学分离出铁，然后通过质谱仪发射原子。研究小组 在 1999 年的《物理评论快报》上报告说，他们在数千万亿个普通铁原子中发现了 23 个铁原子 - 60，其丰度最高的时间是不到 300 万年前 。超新星地球化学时代已经开始. “我们是第一个开始实验研究的人，”Korschinek 说。

其他人紧随其后。 在世界其他地区的海洋地壳中发现了铁 60，甚至在海洋沉积物微化石中也发现了铁 60，这些生物的遗骸对超新星猎人很有帮助，它们吸收并浓缩了体内的铁。大多数结果都指向了 200 万到 300 万年前的局部超新星——并暗示了几百万年前的第二个。

尽管这些爆炸的残余物早已扫过地球，但它们吹出的原子细雨仍在继续。2019 年，Korschinek 的团队通过 AMS 从半吨的新鲜南极雪中提取铁，发现了少量的铁 60 原子，他估计这些原子是在过去 20 年中落到地球上的。另一个团队在太阳和地球之间的一个位置发现了由美国宇航局高级成分探测器探测到的宇宙射线中的少量原子。研究人员甚至在阿波罗任务带回的月球土壤中发现了铁 60。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 (UIUC) 的天文学家 Adrienne Ertel 说：“月球证实了它不仅仅是地球上的一些现象。”

Dieter Breitschwerdt 正试图追踪铁在天空中的来源。当柏林工业大学的天文学家得知 Korschinek 的结果时，他正在研究局部气泡，太阳系周围的一个空间区域清除了大部分气体和尘埃。超新星很可能是扫帚星，因此他开始追踪太阳系附近的恒星群，看看是否有任何恒星在它们的一些成员爆炸时离太阳足够近以在地球上沉积铁 60。

使用来自欧洲恒星测绘卫星 Hipparcos 的数据，Breitschwerdt 寻找共同轨迹上的恒星团块，然后倒转时钟，看看它们在数百万年前的位置。两团，现在是天蝎座-半人马座 OB 协会 (Sco OB2) 的一部分，似乎在大约 250 万年前距离地球 300 光年的完美位置。“这看起来像是一个奇迹，”他说。在正确的时间引爆的可能性很大。核心坍缩超新星发生在大质量恒星中。根据剩余在团块中的 79 颗恒星的年龄和质量，Breitschwerdt 估计，在过去的 1300 万年中，有十几颗前成员以超新星的形式爆炸。

Sco OB2 中这些超新星的可见证据早已不复存在：超新星残余物在大约 30,000 年后消散，它们留下的黑洞或中子星很难被发现。但理论上，铁粉的到达方向可以指向其来源。来自海底的样本没有提供方向信息，因为风和洋流在尘埃沉降时会移动尘埃。然而，在月球上，“没有大气层，所以它撞击的地方就是它停止的地方，”UIUC 天文学家布赖恩菲尔兹说。因为它自转，月球无法提供纵向方向，但如果在其中一个极点检测到的铁 60 多于赤道，例如，这可以支持 Breitschwerdt 的 Sco OB2 作为来源。菲尔兹和几位同事想测试这个想法，并已向美国宇航局申请月球土壤样本，

KORSCHINEK 的团队 现在在寻找超新星铁的过程中遇到了一个竞争对手：由 Korschinek 的前博士后安东·沃尔纳 (Anton Wallner) 领导的一个小组，他使用澳大利亚国立大学 (ANU) 升级的 AMS 来分析从太平洋海底挖出的几个铁锰结壳一家日本矿业公司。“现在我们推动了慕尼黑，”沃尔纳说。

今年，在《 科学》杂志上，沃尔纳的团队通过将地壳样本切成 24 个 1 毫米厚的层，每层代表 40 万年，从而比以往任何时候都更精确地探测了最近超新星爆发的时间。“以前从未有过这种时间分辨率，”现在在德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心工作的沃尔纳说。他们提取的 435 个铁 60 原子将最近的超新星固定在 250 万年前，并证实了较早的超新星的暗示，他们将其定位在 630 万年前。将地壳中铁 60 的丰度与超新星产生量的模型进行比较，该团队估计这些超新星的距离在 160 到 320 光年之间。

沃尔纳的团队还发现了 181 个钚 244 原子，这是另一种放射性同位素，但可能是在超新星爆炸本身而不是前体恒星（如铁 60）中锻造的。但它的来源引起了激烈的争论：一些研究人员认为钚 244 很难让超新星大量产生。相反，他们将其视为中子星（超新星留下的煤渣）之间碰撞的产物。

这些碰撞，称为千新星，比超新星罕见 100 倍，但在制造最重的元素方面效率更高。“中子星合并很容易制造钚，”圣母大学的天体物理学家丽贝卡·苏尔曼说。“对于超新星来说，这要困难得多。”

苏尔曼仍然认为超新星的作用。她将报告的海底钚 244 视为过去深处的千新星，用重元素给我们的星际社区撒上灰尘的迹象。她推测，当最近的两颗超新星爆发时，它们不断扩大的残余物可能已经扫过并带来了一些星际钚 244 以及它们自己的铁 60。然而，Korschinek 表示，需要更多关于钚信号及其时间的数据才能让他相信多起罕见事件发生在如此近和如此近的时间。

除了 用稀有原子核喷洒地球外，附近的超新星还会产生什么影响？2016 年，由梅洛特和托马斯领导的团队估计了可能从 300 光年外的爆炸到达地球的各种形式的光和宇宙射线的通量。他们在《天体物理学杂志快报》中写道 ，他们得出的结论是，最具活力、最具破坏性的光子——X 射线或伽马射线——的影响最小。“没有很多高能辐射，”托马斯说。他们建议几周的强光不会比扰乱睡眠模式产生更大的影响。

宇宙射线——被超新星膨胀的火球中的冲击波加速到接近光速的粒子——是另一回事。因为它们是带电的，所以它们可以被银河磁场偏转离开地球。但当地的气泡被认为大多没有场，因此来自仅 300 光年外的宇宙射线将有一个相对干净的镜头。

梅洛特和托马斯发现，大气层会受到长时间的弹幕攻击。“上升是一个缓慢的过程，至少需要几十年，”托马斯说，在超新星爆发后约 500 年达到峰值，并导致大气气体电离增加 10 倍，并将持续 5000 年。使用美国宇航局开发的大气化学模型，他们估计由电离引起的化学变化会在某些地方消耗约 7% 或更多的臭氧，并将使施肥的氮氧化物化合物的产生增加 30%。由此产生的植物激增可能足以冷却气候并迎来更新世。

宇宙射线还没有完成。当高能粒子撞击高层大气时，它们会产生二级粒子级联。大多数在进一步的碰撞中失败，但 μ 子——电子的短寿命表亲——继续前进。地球表面的生物将接受正常辐射剂量的三倍——相当于每年进行一到两次 CT 扫描。“增加了[癌症]风险，但不会增加辐射中毒，”托马斯说。总体而言，该团队认为这些影响“不是灾难性的”，但可以在化石记录中检测到，例如，如果某些脆弱物种消失而其他物种幸存下来。

来自太平洋海底的矿物地壳同时含有铁 60 和钚 244。

在 2019年的《 天体生物学》(Astrobiology)中，梅洛特 (Melott) 和两位同事发现，如果这颗超新星在距地球 150 光年而不是 300 光年的地方爆炸，那么 μ 子辐射会对海洋动物造成惊人的打击。水阻挡了从天而降的大部分粒子，但 μ 子可以穿透 1 公里。通常情况下，海洋生物几乎不受所有辐射的影响，它们的剂量相对增加最大，受害最深。这与更新世开始时海洋巨型动物的灭绝相吻合，最近才在化石记录中发现。

然后，去年，超新星的支持者提出，类似的情景可以解释 3.59 亿年前泥盆纪末期的一次大灭绝事件。由南安普敦大学约翰马歇尔领导的一个团队发现，当时蕨类植物的孢子突然变得畸形和黑暗，将这种变化归咎于紫外线辐射。该团队没有援引天文原因。但是写在 美国国家科学院院刊上，天文学家看到了附近超新星的可能特征。他们认为，距离地球只有 60 光年的爆炸可能会耗尽臭氧层，从而使地球被紫外线浸透。“这非常具有推测性，”合著者、伦敦国王学院的理论家约翰·埃利斯承认，因为目前无法识别那么远的超新星的放射性指纹。

在 2020 年发表在《地质学杂志》上的一篇论文中 ，梅洛特和托马斯进行了更大的推测性飞跃。他们指出，通过从空气分子中提取电子，次级宇宙射线会为闪电创造路径，使风暴更有可能发生，这不仅会产生更多的氮化合物，还会引发野火。有趣的是，在更新世开始时，在世界某些地区的岩石记录中发现了一层烟灰。梅洛特和托马斯继续提出，那些超新星引发的森林火灾可能将早期人类从树林中推到了稀树草原上，导致了双足行走、更大的大脑尺寸以及随之而来的一切。“说 250 万年前的超新星意味着我们现在正在通过 Skype 交谈，这很有趣，”Korschinek 说。

古生物学家不喜欢这样的场景。“时间是解决一切问题的微不足道的答案，”赫尔说。“当事物灭绝时，总会发生一些事情。” 此外，她说，向更新世的过渡“并不需要解释。” 她说，当时的其他事件可能对全球气候产生更大的影响，例如巴拿马地峡的关闭，这深刻地改变了海洋环流。

她说，为了证明他们的观点，天文学家需要更精确地确定古代超新星的时间。他们“需要测量更多的外壳”。但是寻找超新星踪迹并没有变得更容易。2019 年，TUM 关闭了 AMS，只剩下 ANU 拥有足以分离铁 60 的加速器。

相比之下，钚 244 等稀有同位素可以让研究人员回顾过去，但他们需要一个强调灵敏度而不是原始功率的 AMS，Wallner 说世界上只有少数人能胜任这项工作。他已经获得资金在德国德累斯顿建造一个新的 AMS 设施，专门研究最重的元素，该设施应该在 2023 年开放。为了重新寻找 60 号铁，他的团队还为建立一个国家资金进行了宣传新的高能 AMS，可在 7 年内启动并运行。

对于天文学家来说，今天天空中突然出现的一道闪光将是了解超新星如何影响地球的最佳机会。但是，我们看到一场灯光秀的可能性很小，就像可能让我们遥远的祖先眼花缭乱的那样。参宿四是一颗可能在未来 100,000 年的某个时候爆炸的不稳定红巨星，最近几个月已经稳定下来，无论如何，它距离我们 500 多光年远。Sco OB2 现在正在远离太阳。使用来自 Hipparcos 的继任者欧洲盖亚任务的数据，Breitschwerdt 追踪了另外 10 团恒星。“没有人靠近，”他说。“未来”——对地球来说，而不是超新星——“是光明的。”