附近的超新星如何给地球生命留下印记
当一颗大质量恒星以超新星形式爆炸时，它所释放的不仅仅是大量的能量。超新星爆炸会产生一些重元素，包括铁，这些重元素在爆炸中被抛射到太空中。在地球上，海底沉积物中存在两次铁同位素60 Fe 的积累，科学家将其追溯到大约 200 万至 300 万年前和大约 500 万至 600 万年前。
产生铁的爆炸也使地球受到宇宙辐射。
在提交给《天体物理学杂志快报》的新研究中，科学家们研究了这些爆炸有多少能量到达地球，以及这些辐射可能如何影响地球上的生命。
这篇论文的标题是《气泡中的生命：附近的超新星如何在宇宙射线光谱上留下短暂的痕迹，并在生命中留下不可磨灭的印记》，可在arXiv预印本服务器上找到。主要作者是加州大学圣克鲁斯分校的凯特琳·诺吉里。
作者写道：“地球上的生命在来自地球和宇宙的电离辐射的持续暴露下不断进化。”数十亿年来，地球辐射逐渐减少。但宇宙辐射却没有。随着我们的太阳系在银河系中移动，地球所受的宇宙辐射量会发生变化。
他们写道： “附近的超新星活动有可能使地球表面的辐射水平提高几个数量级，预计这将对生命的进化产生深远的影响。”
作者解释说，200 万年前的堆积物直接来自超新星爆炸，而更古老的堆积物则是地球穿过气泡时形成的。
艺术家对局部热气泡的构想。图片来源：NASA
研究标题中的气泡来自一种名为 OB 型恒星的特殊恒星。OB 型恒星是质量巨大、温度高且寿命短的恒星，通常成群形成。这些恒星会发出强大的外流风，在星际介质中形成热气“气泡”。
我们的太阳系位于其中一个气泡内，称为本地气泡，其宽度接近 1,000 光年，是在数百万年前形成的。
地球大约在 500 万或 600 万年前进入了局部气泡，这解释了较老的60 Fe 积累。据作者称，200 万或 300 万年前较年轻的60 Fe 积累直接来自超新星。
“大约 2-3 百万年前出现的60 Fe峰值很可能源自天蝎座上半人马座狼疮星群（约 140 pc）或杜鹃座时钟座星群（约 70 pc）中发生的超新星爆发。而约 5-6 百万年前出现的峰值很可能归因于太阳系进入气泡，”作者写道。
左侧面板显示了本星系泡和附近的恒星群，右侧面板显示了它们的星系坐标。右侧面板还显示了 2018 年发现的一个新的星系泡。它很可能是上半人马座爆炸的超新星遗迹。图片来源：Nojiri 等人。2024
本地气泡并不是一个安静的地方。它需要多颗超新星才能形成。作者写道，在过去的 1500 万年里，超新星爆发了 15 次，才形成了 LB。“从 LB 历史的重建中，我们知道在过去的 600 万年里至少有 9 个 SN 爆炸，”他们写道。
研究人员收集了所有数据，并计算了 LB 中多个超新星的辐射量。他们写道：“尚不清楚这种辐射剂量的生物学效应是什么”，但他们确实讨论了一些可能性。
该图显示了地面上经历的平均剂量率与附近 SN 距离的关系。平均剂量是在 SN 爆炸后的前 10 千年（实线）和前 100 千年（虚线）内计算的。这不足以引发灭绝，但它可以推动物种多样化。
辐射剂量可能足以造成 DNA 双链断裂。这是一种严重的损伤，可能导致染色体改变，甚至细胞死亡。但就地球生命的发展而言，还有其他影响。
研究人员写道：“DNA 双链断裂可能会导致突变，并导致物种多样性的激增。” 2024 年的一篇论文显示，“非洲坦噶尼喀湖的病毒多样化速度在 200 万至 300 万年前加快。” 这可能与 SN 辐射有关吗？
作者指出：“如果能更好地了解这是否可以归因于我们预测的该时期宇宙辐射剂量的增加，那将是很有吸引力的。”
SN辐射的威力还不足以引发灭绝。但它的威力可能足以引发更多的突变，从而导致物种更加多样化。
辐射始终是环境的一部分。随着事件的发展和地球在银河系中的移动，辐射时而上升时而下降。不知何故，它一定是创造地球上生命多样性的方程式的一部分。
作者在结论中写道：“因此，可以肯定的是，在评估地球生命的生存能力和进化时，宇宙辐射是一个关键的环境因素，而关键问题在于，在考虑物种进化时，辐射是有利还是有害的触发因素的阈值。”
不幸的是，我们并不清楚辐射究竟如何影响生物，可能存在的阈值是多少，以及它们会如何随时间而变化。“只有清楚地了解宇宙辐射（特别是在地面上占主导地位的介子）的生物效应，才能确定确切的阈值，而这仍然是一个尚未探索的问题，”Nojiri 和她的合著者写道。
研究表明，无论我们是否能在日常生活中看到它，甚至无论我们是否意识到它，我们的太空环境都会对地球生命产生强大的影响。超新星辐射可能影响了地球历史关键时期的突变率，有助于塑造进化。
如果没有超新星爆炸，地球上的生命看起来可能会大不相同。很多事情必须恰到好处才能让我们出现在这里。也许在遥远的过去，超新星爆炸在通往我们人类的进化链中发挥了作用。
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