Доктор Гюнтер Корсчинек, специалист по экспериментальной астрофизике частиц из Мюнхенского технического университета (Германия), описал возможные последствия вспышки сверхновой для жизни на Земле. Вероятность смертельного воздействия космических лучей от сверхновых ученый оценивает как крайне низкую, но тем не менее не исключает, что в прошлом подобные события могли послужить причиной массовых вымираний на планете. Обзорная работа Корсчинека станет одной из глав готовящегося к публикации «Справочника по сверхновым».
В зависимости от расстояния между звездой и Солнцем ученый рассматривает различные типы угроз для планеты. Среди них — истощение озонового слоя на Земле, в результате чего усилится воздействие ультрафиолетового излучения Солнца на земные организмы, и узконаправленный летальный эффект рентгеновских лучей от сверхновой. Учитываются и косвенные последствия вспышки звезды. Например, высокоэнергетические космические лучи способны изменить климат планеты, в частности, инициировать образование плотных облаков, которые ограничат доступ солнечного света к поверхности планеты и вызовут новый ледниковый период.
Космические лучи высоких энергий открыл в 1912 году австрийский физик Виктор Гесс. После нескольких исследований, проведенных на воздушном шаре, он обнаружил, что радиационный фон увеличивается с высотой. Спустя 22 года Вальтер Бааде и Фриц Цвикке показали, что колебания интенсивности космических лучей могут быть связаны со вспышками сверхновых — одними из самых энергичных событий во Вселенной. Взрывы звезд происходят после того, как в них заканчивается запас ядерного топлива (сверхновые типа II), или в двойных системах (сверхновые типа Ia), где поток материи от звезды, относящейся к главной последовательности, на белый карлик увеличивает его массу вплоть до предела Чандрасекара (около 1,44 солнечных масс). После вспышки образуется нейтронная звезда.
Возникающие в результате взрыва космические лучи представляют собой потоки частиц, состоящие главным образом из протонов и, в значительно меньшей степени, из более тяжелых атомных ядер и электронов. Кроме массивных частиц, взрывы сверхновых порождают потоки фотонов — интенсивное рентгеновское и гамма-излучение.
Через двадцать лет после выяснения природы космических лучей, в 1954 году, немецкий палеонтолог Отто Шиндевольф выдвинул одну из первых гипотез о связи вспышек сверхновых с массовыми вымираниями — исчезновениями многочисленных видов живых организмов на Земле, зафиксированными палеонтологическими, палеоклиматическими и геологическими исследованиями. Он предположил, что высокоэнергетическое излучение могло привести к вымиранию морских организмов напрямую либо косвенно, посредством формирования опасных для жизни радиоактивных изотопов. С тех пор многие ученые пытались сопоставить вспышки сверхновых с массовыми вымираниями.
На представленном рисунке отмечены пять самых крупных массовых вымираний. Информация есть только для морских животных, поскольку она сохранилась в окаменелостях. Два массовых вымирания, дресбакское и ботомское, произошедших в кембрии, вероятно, можно было бы считать одними из самых крупных, но палеонтологические данные пока основываются на крайне малом числе окаменелостей того времени.
Периоды массовых вымираний на Земле и снижение видового разнообразия
Изображение: arxiv.org
Массовое вымирание динозавров объясняют обычно либо падением огромного метеорита, либо недостатком питательных микроэлементов в фанерозое. Взрывы сверхновых открывают дополнительные возможности для объяснений. Корсчинек рассматривает два вероятных сценария влияния на Землю взрыва близко расположенных от планеты сверхновых.
По первому сценарию планета подвергается воздействию космических лучей, которые прошли сквозь межзвездную среду. В зависимости от ее плотности эффект окажется значимым, если звезды удалены от Солнца на не более 15-20 парсек. Второй сценарий — узконаправленный луч от сверхновой. Такому лучу придется преодолеть давление солнечного ветра и проникнуть вглубь Солнечной системы.
В первом сценарии наиболее вероятный способ усиления интенсивности излучения от сверхновой — механизм Ферми, когда частицы забирают энергию у встречающейся им на пути космической плазмы. Чем плотнее межзвездная среда, тем больше энергии могут приобрести проходящие через нее частицы. Всего в окружающее пространство при взрыве звезда выбрасывает энергию порядка десяти в 50-й степени тераэлектронвольт. При стандартной межзвездной плотности (пол-атома на кубический сантиметр) космические лучи, как показано на изображении, могут пройти через межзвездную среду без потери интенсивности.
Изменение интенсивности потока в зависимости от расстояния сверхновой до Солнца и времени достижения космическими лучами Земли
Изображение: arxiv.org
Во втором случае ситуация кардинально меняется. Расчеты показывают, что для сверхновой, расположенной на расстоянии десяти парсек от Земли, интенсивность потока космических лучей должна быть в сто раз больше.
Первые исследования влияния на жизнь вспышек сверхновых были проведены еще в 1960-х годах. Ученые показали, что если взорвавшаяся звезда расположена на расстоянии около 20 парсек от Солнца, то, скорее всего, реализуется второй сценарий. Нормальная поглощенная доза радиации от космических лучей — 0,0003 грея в год. Ее увеличение в сто раз может крайне негативно повлиять на животных. Для мелких млекопитающих доза порядка 0,02 грея в год не представляет опасности, для крупных — губительна.
Негативный эффект может быть разным. Например, накопление радиоактивных изотопов у крупных животных и снижение репродуктивных возможностей, вплоть до стерилизации, у мелких. Чтобы погибли насекомые и одноклеточные организмы, интенсивность космических лучей должна быть еще в сто раз больше. Такая радиация косвенно повлияет и на растения — через снижение численности участвующих в пищевых цепочках животных.
Весьма реалистичной выглядит перспектива разрушения озонового слоя Земли. Из-за усиления интенсивности космических лучей, в рамках второго сценария, увеличится содержание окиси азота в стратосфере планеты. Это соединение вступает в реакцию с озоном, в результате чего образуется кислород (молекула из двух атомов) и диоксид азота. Из-за вспышки сверхновой на расстоянии 10 парсек озоновый слой истощится на 95 процентов за 300 лет. Для Земли это может иметь катастрофические последствия — нарушится пищевая цепочка, в которой задействованы фотосинтезирующие организмы, а ультрафиолетовое излучение вызовет массовое вымирание и накопление углекислого газа в атмосфере — парниковый эффект.
Позднее столь негативный прогноз был смягчен. Выяснилось, что в результате вспышки сверхновой сильнее всего, на 60 процентов, озоновый слой сократится на высоких широтах. На экваторе — на 20 процентов. В этом случае, по мнению экспертов, массового вымирания не будет. В другой модели, предложенной НАСА, массовое вымирание прогнозируется в результате вспышки сверхновой, расположенной на расстоянии ближе восьми парсек от планеты. Ученые отмечают невозможность полного прогнозирования последствий вспышек сверхновых из-за сложного устройства биосферы планеты.
Видео: NASA Jet Propulsion Laboratory
Интересна гипотеза об атмосферных эффектах, связанных с солнечной модуляцией космических лучей. Об этом впервые заговорили в конце 1950-х годов. Позднее, в 1990-х, когда выяснилась роль ионизации атмосферы в формировании облаков, выдвинули гипотезу о влиянии космических лучей на климат. Идея получила развитие в 2000-х, когда была предпринята попытка найти связь между ледниковыми периодами и прохождением Солнца сквозь галактические рукава и диск Млечного Пути. В это время рядом с планетой оказывается все больше сверхновых, и, по логике, Земля должна подвергаться значительной радиационной нагрузке. По оценкам ученых, на критическое расстояние до восьми парсек сверхновая подходит к планете каждые 1,5 миллиарда лет.
Отдельную опасность представляют собой гамма-всплески, длящиеся от нескольких миллисекунд до нескольких часов. К таким событиям приводят взрывы сверхновых, например типа Ia, и слияние нейтронных звезд. Первый гамма-всплеск наблюдался американским космическим аппаратом Vela, предназначенным для отслеживания ядерных испытаний на Земле. Считается, что вспышка возникает в двух узких конусах, ориентированных противоположно друг другу.
Предполагаемое строение сверхновой Кассиопея A перед ее взрывом
Изображение: NASA/CXC/GSFC/U.Hwang & J.Laming
В 2000-х годах ученые просчитали последствия сильного гамма-всплеска для Земли. Потоки энергий порядка десяти, ста и тысячи килоджоулей на квадратный метр в течение месяца сократят площадь озонового слоя на 68, 91 и 98 процентов соответственно. Это тоже связано с образованием в атмосфере окиси азота, вступающей в реакцию с озоном. Не обошли ученые вниманием и наиболее близких к земле кандидатов в сверхновые, которые могут взорваться в ближайшее, по космическим меркам, время.
Двойная звезда IK Пегаса расположена на расстоянии 40 парсек от Солнца. Максимально приблизится к Солнцу примерно через 1,1 миллиона лет. Еще через 0,8 миллиона лет одно из ее светил, белый карлик IK Пегаса B, завершит свое существование в качестве сверхновой типа Ia. Скорее всего, взрыв не будет опасен для планеты. Другой объект, красный сверхгигант Бетельгейзе, удаляется от Солнца со скоростью 33 километра в секунду. Сейчас яркая звезда из созвездия Ориона расположена на расстоянии 200 парсек от Земли. Ученые не исключают, что она взорвется как сверхновая типа II, однако из-за удаленности от Солнца это событие также не будет представлять особой опасности для жизни на Земле.