9 Minutės
Netikėtas berylio-10 nuosėdų pikas kelia supernovos klausimą
Tarptautinė mokslininkų grupė pasiūlė hipotezę, kad ryškus radioaktyviojo izotopo berylio-10 (Be-10) padidėjimas, nustatytas Ramiojo vandenyno ferromangano plutose, gali būti pėdsakas netoliese įvykusios supernovos, sprogusios Žemės kosminėje artumoje prieš milijonus metų. Ši idėja remiasi prielaida, kad staigus izotopo kiekio šuolis sedimentų įraše galėjo būti sukeltas laikinio kosminių spindulių srauto padidėjimo arba retai pasitaikančio astrofizinio įvykio.
Be-10 susidaro tada, kai aukštos energijos kosminiai spinduliai jonizuoja azotą ir deguonį Žemės atmosferoje. Tuomet izotopai prisijungia prie aerozolių, nukrinta su krituliais ir palaipsniui kaupiasi ferromangano plutose bei jūros dugno nuosėdose. Kadangi globali Be-10 gamyba iš pastovaus galaktinių kosminių spindulių srauto įprastai yra gana vienoda, lokalizuoti šuoliai nuosėdų įraše išskiria anomalijas, kurios verčia tirti tiek kosminius, tiek žemės procesus kaip galimus paaiškinimus.
Ką atskleidžia Ramiojo vandenyno anomalija
Atradimas kilo iš tikslinių matavimų ferromangano plutose Ramiajame vandenyne, kuriuose aptiktas aiškus Be-10 pikas, datuojamas maždaug prieš 9–12 mln. metų. Ši anomalija ryškiai išsiskiria iš kitokio, sklandaus Be-10 fono, kas rodo arba laikino kosminių spindulių srauto padidėjimo epizodą, arba vietinio koncentravimo mechanizmą, pavyzdžiui, kintančias vandenynų sroves ar biogeochemines sąlygas, kurios galėjo susitelkti kritulius vienoje geografinėje zonoje.
Ferromangano plutų formavimosi greitis yra lėtas (milimetrai per milijonus metų pagal atitinkamą vietą), todėl tokie sluoksniai veikia kaip ilgalaikės archyvai. Be-10 koncentracijos interpretacija remiasi tiksliu sluoksnių datavimu ir sedimentacijos modelių supratimu: jei pikas yra tarptautiniu mastu sutampantis įvairiuose archyvuose (jūros nuosėdose, ledynuose, žemės sekose), tai stiprina kosminę kilmę; jei jis lokalus, tai labiau tikėtina dėl regioninių oceanografinių ar klimato procesų.
Be šių geocheminių aspektų svarbu atsižvelgti ir į galimų gausinimo mechanizmų fiziką: supernova gali padidinti kosminių spindulių intensyvumą laikinai, nukreipdama papildomą dalelių srautą į heliosferą ir žemės atmosferą, taip sustiprindama Be-10 gamybą. Tačiau poveikis atmosferos ir nuosėdų archyvams taip pat priklauso nuo atmosferinių transporto procesų, lietaus modelių ir regioninių srovių, todėl būtina platesnė, tarpkontekstinė analizė.
Atliekant tokius tyrimus dažnai lyginamos kelios izotopų serijos: Be-10 kartu su Fe-60, Al-26 ar kitu trumpalaikiu radioaktyviuoju teršalu suteikia informacijos apie galimą supernovos nucleosintezę ir nuosėdų pėdsakų kilmę. Fe-60, pavyzdžiui, yra plačiai aptariamas kaip jautrus supernovos indikas, nes šio izotopo gamyba glaudžiai susijusi su masyvių žvaigždžių sprogimais ir jis pasižymi pusinės gyvavimo trukmės savybėmis, leidžiančiomis identifikuoti palyginti nesenas astrofizines įvykių grandines.
Kaip Gaia duomenys buvo panaudoti ir ką jie parodė
Siekiant įvertinti kosminės kilmės hipotezę, atskiros tyrėjų komandos panaudojo itin tikslius astrometrijos duomenis iš Europos kosminės agentūros misijos Gaia, kad rekonstruotų 2 725 artimų žvaigždžių spiečių ir Saulės trajektorijas per pastaruosius 20 mln. metų. Gaia suteikia aukšto tikslumo pozicijas, paralakses ir pasislinkimus (proper motions), leidžiančius atkurti žvaigždžių judėjimą per Galaktikos potencialą ir apskaičiuoti, kur ir kada galėjo sproginėti masyvios žvaigždės — galimi branduolio žlugimo (core-collapse) supernovų progenitoriai.
Tokia rekonstrukcija reikalauja galaktinės dinamikos modelių: tiriama, kaip žvaigždės kardo per Galaktikos potencialą, įskaitant tankio judėjimą diske, besikeičiančius orbitinius parametrus ir net spiečių dispersiją. Taip pat atliekami Monte Karlo simuliacijos, kad būtų įvertintos trajektorijų ir datavimo netikrumų įtakos: Gaia matavimai turi savo klaidas, o net pamažu kaupiami poslinkiai per milijonus metų gali duoti plačius neapibrėžtumo intervalus.
Tyrėjų komanda modeliavo tikėtinus supernovų dažnius nurodytuose spiečiuose, apskaičiavo branduolinio žlugimo įvykių tikimybes skirtinguose spindulio binuose aplink Saulę ir įvertino, ar per milijono metų langą, sutampantį su Be-10 anomalija, bent viena supernova galėjo sprosti pakankamai arti — maždaug per 326 šviesmečių. Rezultatai rodė, kad tikimybė, jog per tą laikotarpį įvyko bent viena supernova per nurodytą atstumą, yra maždaug 68 %. Be to, identifikuota 19 spiečių, kurių individuali tikimybė viršijo 1 %, kad jie galėjo būti netoliese sprogusių supernovų šaltiniais tuo metu.
Tokie skaičiavimai sujungia observacinius duomenis (Gaia astrometriją) su astrofiziniais modeliais (žvaigždžių evoliucija, supernovų dažnis pagal amžių ir masę), o kartu su geocheminėmis įžvalgomis apie izotopų nuosėdavimo procesus leidžia konstruoti integruotą hipotezių grandinę: jei trajektorijos ir datavimai sutampa su izotopo piku, tai padidina supernovos kilmės tikimybę.
Gaia analizė ir statistiniai rezultatai
Tyrėjų grupė atliko detalias simuliacijas, modeliuodama spiečių vidinį žvaigždžių pasiskirstymą, masių funkciją ir supernovų greitį per atitinkamą epochą. Buvo įtraukti skirtingi branduolio žlugimo supernovų skaičiavimo modeliai, kad būtų įvertinta, kiek sprogimų galėtų įvykti tam tikrame spiečiuje per duotą laiko intervalą. Tuomet apskaičiuotos tikimybės, jog bent vienas toks įvykis įvyko įvairiuose atstumo binuose nuo Saulės.
Apytiksliai 68 % tikimybė, kad per minėtą laikotarpį įvyko bent viena supernova maždaug per 326 šviesmečių (100 parsekų) atstumu, rodo, jog netoliese sprogusios žvaigždės įtaka Žemės izotopinei sudėčiai yra reali galimybė. Be to, 19 spiečių su atskiromis tikimybėmis viršijančiomis 1 % suteikia konkretesnius objektyvus tolimesniam tyrimui: būtent šiuos spiečius galima pasirinkti kaip kandidatų sąrašą tolimesniam kinematikos ir cheminės sudėties tyrimui.
Tikslūs teiginiai apie priežastinį ryšį reikalauja papildomų žingsnių: tarp jų — sinchroniškų Be-10 padidėjimų radimas kituose planetos archyvuose, koreliacija su kitų radioizotopų (pvz., Fe-60) pėdsakais, bei labiau detalizuotos supernovų nucleosintezės ir kosminių spindulių propagacijos simuliacijos. Autorai pažymi, kad Gaia pagrindu gautos trajektorijos daro artimą sprogimą tikėtinu indėliu prie aptikto izotopo šuolio, bet tai nėra galutinis įrodymas.
Alternatyvūs paaiškinimai ir tolimesni veiksmai
Tarp alternatyvių paaiškinimų svarstomos regioninės ar klimatinės priežastys. Jei Be-10 pikas aptinkamas tik tam tikruose Ramiojo vandenyno core'uose, tai rodo, jog vietiniai procesai — pavyzdžiui, pokyčiai vandenynų srovių, stipresnis vietinis kritulių kiekis ar geocheminiai koncentruojantys mechanizmai — galėjo paskatinti izotopo akumuliaciją būtent toje vietoje. Tokiu atveju Be-10 signalas nebūtinai atspindėtų globalų kosminių spindulių srauto pokytį.
Jei šaltinis būtų kosminis, tokį pat Be-10 pagerėjimą reikėtų aptikti sinchroniškai skirtinguose geografinio masto archyvuose: jūros nuosėdose kitų vandenynų baseinuose, ledo šerdyse (ledynų archyvuose) ir kai kuriuose žemės depozituose (pvz., loeso sluoksniuose). Todėl patikrinimas reikalauja plataus geografinio profilio mėginių ėmimo: gilinimo ir coring operacijų keliuose vandenynų baseinuose bei palyginimo su žemės archyvais.
Tolimesni darbai apima kelis tarpusavyje susietus elementus:
- Geografiškai įvairūs mėginių ėminiai: nuosėdų, ferromangano plutų ir ledo šerdžių analizės, kad būtų nustatyta, ar Be-10 pikas yra globalus ar lokalus.
- Daugiaizotopiniai tyrimai: Be-10 kartu su Fe-60, Al-26 ir kitais izotopais, leidžiantys atskirti supernovos pėdsaką nuo atmosferos ar klimato kilmės.
- Detalizuotos supernovų nucleosintezės modelių ir kosminių spindulių propagacijos simuliacijos, kad būtų įvertintas, kiek papildomų dalelių galėjo pasiekti Žemę ir kaip tai paveikė Be-10 gamybą.
- Patobulinti Gaia duomenų analizės metodai: trajektorijų rekonstrukcijos su plačiais neapibrėžtumų įvertinimais, spiečių dinamika ir galaktinės orbitos modeliai.
Visi šie elementai kartu leis geriau apriboti, kurie žvaigždžių grupės galėjo prisidėti prie aptikto izotopo šuolio ir ar supernova yra labiausiai tikėtinas paaiškinimas.
Mokslinis kontekstas ir pasekmės
Jei pavyktų patvirtinti netoliese įvykusios supernovos egzistavimą prieš maždaug 10 mln. metų, tai turėtų svarbių pasekmių kelioms mokslo sritims: astrofizikai, heliofizikai ir Žemės mokslams. Netoliese sprogusios supernovos gali laikinai padidinti aukštos energijos dalelių srautą, paveikti heliosferos apsaugines savybes ir paskatinti trumpalaikių radioizotopų, tokių kaip Fe-60 ar Be-10, nusodinimą Žemėje. Tokio tipo įvykiai leidžia rekonstruoti Saulės aplinką Galaktikoje ir įvertinti kosminių spindulių modulacijos mechanizmus bei galimus biologinius padarinius per geologinius laikotarpius.
Iš astrobiologinės perspektyvos, reikėtų vertinti, ar laikinis didesnis kosminių dalelių srautas galėjo sukelti pakitusį radiacinį foną Žemėje, kas per ilgesnį laiką galėtų turėti poveikį mutacijų dažniui ar klimato parametrams. Tačiau tiesioginiai biologiniai padariniai priklauso nuo daugelio veiksnių: atstumo iki supernovos, sprogimo energijos, partikulių spektrų ir atmosferos bei magnetosferos sąlygų tuo metu.
Publikuotas naujas tyrimas Astronomy & Astrophysics žurnale pabrėžia, kaip vertinga sujungti Žemės izotopinius archyvus su tiksliais žvaigždžių kinematikos duomenimis iš Gaia, ieškant praeities netoliese įvykusių supernovų pėdsakų. Toks tarpdisciplininis požiūris — geochemija, sedimentologija, kosminė astrofizika ir dinaminė Galaktikos modeliavimas — yra būtinas, kad būtų galima patikimai interpretuoti įrašus geologiniuose archyvuose.
Techniniai pažangai ir tolesniems eksperimentiniams darbams būtinas didesnis sinergijos laipsnis tarp lauko darbų (gilinimo, koringų), laboratorinių matavimų (masių spektrometrijos), ir teorinių modelių (supernovų nucleosintezės, kosminių spindulių sklaidos per tarpžvaigždinę terpę ir heliosferą). Be to, reikia geresnio laiko sinchronizavimo tarp skirtingų archyvų, kad būtų galima tiksliau sulygiuoti sluoksnius ir datavimą.
Išvados
Be-10 šuolis Ramiojo vandenyno ferromangano plutose yra reikšmingas indikatoriaus signalas, kuris leidžia manyti, jog netoliese esanti žvaigždžių sprogimo įvykis galėjo paveikti Žemės radiacinę aplinką prieš maždaug 9–12 mln. metų. Nors Gaia trajektorijų rekonstrukcijos ir statistinės analizės padidina netoliese supernovos kaip galimos priežasties tikimybę, šis paaiškinimas dar nėra galutinis.
Patvirtinimui reikalingi tolimesni darbai: platesnis globalus mėginių ėmimas, daugiaizotopinės analizės (Be-10, Fe-60, Al-26 ir kt.), geresnės supernovų nucleosintezės ir kosminių spindulių propagacijos modelių integracija, bei tikslinamos trajektorijų rekonstrukcijos naudojant Gaia duomenis. Tik surinkus sinchroniškus duomenis iš įvairių pasaulio archyvų bus galima patikimai nustatyti, ar aptiktas izotopo pikis yra tikras supernovos pėdsakas ar lokalios Žemės ir vandenynų sistemos reiškinys.
Tyrimas atveria platesnes diskusijas apie Saulės aplinkos dinamiką Galaktikoje, apie kosminių spindulių variacijas per geologinius laiko tarpsnius ir apie tai, kaip trumpo- bei ilgalaikiai astrofiziniai įvykiai gali palikti matomus ženklus Žemės archyvuose. Tolesni daugialypiai darbai turėtų pagerinti supratimą apie galaktinius kontekstus, kuriuose gyvena Saulės sistema, ir padėti sistemingai identifikuoti kitus istorinius netoliese įvykusių supernovų pėdsakus.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą