【天文發現】從地層中研究超新星爆炸

■要研究超新星爆炸嗎?或許不用架望遠鏡往天上看了。往海底找找如何?

G299 Ia 超新星殘骸 圖片來源:維基百科
G299 Ia 超新星殘骸 圖片來源:維基百科

撰文|陳勁豪

當恆星的質量過大,導致恆星本身的重力壓垮了恆星自己,所此形成了大爆炸,也就是所謂的超新星爆炸。這種爆炸相當明顯,在地球上甚至不需要天文望遠鏡,直接用肉眼便可以看見。當超新星爆炸時會放出相當大量的能量及宇宙射線。其中最著名的例子是超新星1987A爆炸時,除了可見光之外,同時也放出了許多的微中子,並同時在地球被偵測到。由於觀測到超新星微中子,日本物理學家小柴昌俊因此獲得2002年的諾貝爾物理學獎。

超新星爆炸時會把超新星內部的各種成份全部四散到宇宙各個角落,因此透過研究一些特別的元素,科學家可以用來研究超新星的內部構成,也可以用來尋找超新星。

在地球上,鐵是最常見的元素之一。在地球上最常見到的同位素有四種,其中含量最多的同位素是鐵56。除此之外還有鐵54,鐵57,鐵58。另外還有一種同位素鐵60,在地球幾乎不存在,但是在隕石中卻有著比較高的含量。根據理論計算,超新星的內部應該也含有相當多的鐵60同位素。當超新星爆炸時,超新星本身所帶的鐵60也會跟著分散到各個角落。如果這些成份最後到達了地球,那在地球的某個時間點,地球所含的鐵60成份應該會比其他時段來的更多。藉由發現這個時間點,物理學家可以用來推估某個超新星爆發的時間跟距離。

Australian National University的Anton Wallner跟他的研究團隊在太平洋,大西洋及印度洋的海底進行鑽探,取得地層樣本後,對樣本進行質譜分析。他們比較了鐵60與地層中鐵的含量比,發現在150萬到320萬年前,還有650萬到870萬年前的這兩個時段,鐵60的含量都遠高過背景值,甚至可能超過背景值40倍。如此高含量的鐵60,又同時出現在地球上的三大洋,基本上排除了這些鐵60是經由隕石所帶來的可能性。而目前最可能的解釋就是這些鐵60是超新星爆炸所在地球上所留下的痕跡。

巧合的是,在距今260萬年前,地球正巧進入了地質時代稱為更新世的階段(約是260萬年前到11700年前)。這個階段的特徵是氣候相對變冷,同時出現了週期性的冰河期。如果這時剛好也發生了超新星爆炸,那麼超新星爆炸跟更新世的氣候變化兩者會有相關連嗎?或者這只是一個時間上的巧合?這部份將有待科學家們更進一步的研究。

不過至少我們知道要研究超新星,現在多了一個方法:往地層裡找。

原始論文:Recent near-Earth supernovae probed by global deposition of interstellar radioactive 60Fe Nature, 532, 69–72 (07 April 2016)

參考資料:
Physics World 2016/04/06: Finding the Earth-bound evidence for supernovae in the galactic neighbourhood

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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