O kas, jei šalia – supernova?

Trečią mėnesį iš eilės iš Patreon rėmėjų gaunu pinigų, taigi trečią mėnesį iš eilės tęsiu pažadą parašyti po kokį nors įdomų (tikiuosi) straipsnį. Šįkart pabandžiau panagrinėti, kas nutiktų Žemei, jei netoliese sprogtų supernova. Priklausomai nuo atstumo, mums gali būti arba labai gražu, arba labai blogai.

Krabo ūkas – 1054-aisiais metais sprogusios supernovos paliktas pėdsakas. ©NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (Arizona State University)

Kas yra supernova. Visos žvaigždės didžiąją gyvenimo dalį energijos gauna vandenilio branduolius (protonus) versdamos heliu. Gyvenimo pabaigoje, kai vandenilio sumažėja, prasideda kitos termobranduolinės reakcijos: iš pradžių helis virsta anglimi, paskui anglis su heliu jungiasi į deguonį, deguonis su heliu – į neoną ir taip toliau. Jei žvaigždė yra pakankamai masyvi, daugiau nei aštuonis kartus masyvesnė už Saulę, reakcijos jos branduolyje tęsiasi tol, kol pradedama gaminti geležis. Geležis yra stabiliausias iš visų cheminių elementų; iki jos visos termobranduolinės sintezės (branduolių jungimosi) reakcijos išskiria energiją, o nuo geležies einant periodine lentele tolyn – energija prarandama. Taigi, kai žvaigždės branduolyje atsiranda geležies, tolesnės termobranduolinės reakcijos nebegamina energijos. Energija iš žvaigždės gelmių yra tai, kas sulaiko žvaigždę nuo kolapso dėl jos pačios gravitacijos. Nebelikus energijos šaltinio, gravitacija sutraukia žvaigždės branduolį iki labai mažo kūno – neutroninės žvaigždės arba juodosios skylės. Susitraukdamas branduolys netenka labai daug energijos, kurią atiduoda išoriniams žvaigždės sluoksniams ir juos išdrasko į šipulius.

Žvaigždės struktūra prieš pat supernovos sprogimą. ©NASA/CXC/M. Weiss

Šitas išdraskymas, trunkantis keletą sekundžių, ir yra supernovos sprogimas. Tiksliau sakant – branduolio kolapso supernovos, nes yra ir kitokių. Išoriniai žvaigždės sluoksniai numetami tūkstančių ar net dešimčių tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu, pro juos išsiveržia gausybė fotonų. Po sprogimo likęs besiplečiantis burbulas, vadinamas supernovos liekana, kelias savaites, o kartais ir mėnesius, spinduliuoja daugiau energijos, nei visos likusios galaktikos žvaigždės.

Kitas supernovų tipas vadinamas termobranduolinėmis supernovomis. Jis įvyksta, kai žvaigždės liekana baltoji nykštukė prisiryja per daug medžiagos iš kompanionės dvinarėje sistemoje. Tada, jei nykštukės masė viršija 1,4 Saulės masės, joje prasideda nesustabdoma termobranduolinė reakcija, kurios metu išskiriama tiek energijos, jog visa žvaigždė išlaksto į gabalus.

Dar vienas, gerokai menkiau suprastas, supernovų tipas yra porinio nestabilumo supernovos. Jis reikšmingas tik pačioms masyviausioms žvaigždėms, kurių masės viršija 130 Saulės masių. Jų centruose temperatūra gali pakilti tiek daug, kad termobranduolinių reakcijų metu išskirti fotonai, susidurdami tarpusavyje, ima gaminti elektronus ir pozitronus. Taip pradeda mažėti slėgis žvaigždės centre, ji ima trauktis ir kaisti, dalelių gamybos procesas spartėja ir žvaigždės branduolys kolapsuoja.

Artimiausios Žemei supernovos. Paukščių Take vidutiniškai supernova turėtų sprogti kas keletą dešimtmečių. Gali būti, kad pastaruoju metu jos sproginėja šiek tiek rečiau. Paskutinė plika akimi matyta supernova Paukščių Take sprogo 1604-aisiais metais. Apskritai jauniausia supernova Paukščių Take greičiausiai sprogo prieš kiek daugiau nei šimtą metų labai arti Galaktikos centro, bet jos nematėme dėl daugybės dulkių debesų tarp jos ir mūsų.

Abi šios supernovos sprogo taip toli, kad jokios įtakos Žemei neturėjo. Nuotolis iki 1604-ųjų metų Keplerio supernovos yra bent 6 kiloparsekai, iki Galaktikos centro – apie 8 kiloparsekus. Kitos kelios supernovos, kurių sužibimai aprašyti įvairiuose metraščiuose, irgi sprogo bent dviejų kiloparsekų atstumu. Dar viena supernova galimai sprogo gerokai arčiau, už poros šimtų parsekų, prieš 800 metų. Tokios supernovos gali turėti poveikį Žemei, bet nedidelį.

Supernovos liekana Kasiopėja A; supernova greičiausiai sprogo prieš maždaug 300 metų, bet plika akimi Žemėje nebuvo matoma. ©Rentgeno duomenys: NASA/CXC/SAO; Regimieji duomenys: NASA/STScl; Infraraudonieji duomenys: NASA/JPL-Caltech/Steward/O.Krause et al.

Masyvių žvaigždžių, kurios gali baigti savo gyvenimus sprogdamos supernovomis, Galaktikoje yra santykinai nedaug – mažiau nei procentas. Tad ir artimiausia tokia žvaigždė yra palyginus tolokai nuo Saulės. Tai – 77 parsekų atstumu esanti Mergelės žvaigždyno ryškiausia žvaigždė Spika. Dar arčiau, už 46 parsekų, yra dvinarė sistema Pegaso IK, kurios viena narė yra baltoji nykštukė, galinti greitai užaugti iki kritinės ribos ir sprogti supernova. Gerai žinoma sprogti besiruošianti Betelgeizė yra nutolusi per 200 parsekų. Ar pavojingi mums būtų šių žvaigždžių sprogimai?

Sprogimo pavojus. Supernovos sprogimo poveikis aplinkai pasireiškia keliais būdais. Pro bet kokį pakankamai toli nuo žvaigždės esantį tašką pirmiausiai pralekia neutrinų srautas. Supernovos sprogimo metu neutrinų sukuriama daugybė, jie išsineša didžiąją dalį sprogimo energijos. Tačiau neutrinai beveik nesąveikauja su jokia medžiaga, tai ir pavojaus praktiškai nekelia, išskyrus objektams, esantiems sprogstančios žvaigždės sistemoje. Pavyzdžiui, jei Saulės vietoje sprogtų supernova, ties Jupiteriu esantis stebėtojas žūtų vien nuo neutrinų sukeltos žalos. Visgi pasiekęs gretimas žvaigždes neutrinų srautas tampa toks retas, kad į jo poveikį galima nebekreipti dėmesio.

Supernovos SN 1987A liekana. Tai – vienintelis identifikuotas neutrinų, atsklidusių iš už Saulės sistemos ribų, šaltinis ©ESA/Hubble & NASA

Šiek tiek vėliau, nei neutrinai, stebėtojus pasiekia ir spinduliuotė. Atsilieka ji ne todėl, kad neutrinai sklinda greičiau už šviesą. Tiesiog spinduliuotė pirma turi išsiveržti iš sprogstančios žvaigždės gelmių, o neutrinams tą padaryti yra gerokai lengviau. 1987-ųjų metų supernovos Magelano debesyje neutrinai Žemę pasiekė maždaug 18 valandų anksčiau, nei fotonai.

Supernova išspinduliuoja santykinai daugiau energingų – ultravioletinių, rentgeno ir gama – spindulių, nei įprasta žvaigždė. Taigi jei supernova mūsų danguje nušvinta ryškiai kaip kuri nors žvaigždė, tai energingos spinduliuotės iš jos gauname daugiau, nei iš tos žvaigždės. Taip pat iš supernovos mus pasiekia ir kosminiai spinduliai – labai didelę energiją turinčios dalelės, daugiausiai elektronai ir protonai. Jos šiek tiek atsilieka nuo fotonų, nes juda lėčiau už šviesą, tačiau nuo to jų poveikis nepasidaro mažiau reikšmingas.

Pagrindinis pavojus, kurį kelia supernovos spinduliuotė, yra Žemės atmosferos išgarinimas ar žalingų cheminių reakcijų sukėlimas. Pavyzdžiui, jei supernova sprogtų mažiau nei 8 parsekų atstumu, jos spinduliai išgarintų daugiau nei pusę atmosferos ozono. Taip dvigubai susilpnėtų Žemės paviršiaus apsauga nuo Saulės skleidžiamų ultravioletinių spindulių. Taip pat spinduliuotė gali jonizuoti pagrindines atmosferą sudarančias molekules azotą ir deguonį; tada jie imtų jungtis į azoto oksidą, kuris kauptųsi į nuodingus smogo debesis. Visgi tokiu atstumu supernovos sprogsta ne dažniau nei kas šimtą milijonų metų, o greičiausiai – rečiau nei kas milijardą. Taigi gali būti, kad kažkuris masinis rūšių išnykimas Žemės istorijoje įvyko dėl supernovos sprogimo poveikio, bet tvirtų įrodymų tam neturime. Pavyzdžiui, prieš maždaug 440 milijonų metų įvykęs Ordoviko-Silūro periodų masinio išmirimo įvykis galėjo kilti dėl atmosferos ozono sluoksnio sunaikinimo, o šį sukelti galėjo netolimas supernovos sprogimas ar gama spindulių žybsnis.

Po kosminių spindulių stebėtojus pasiekia ir lėtesnė supernovos medžiaga. Ją sudaro labai įvairūs cheminiai elementai. Vienas įdomiausių tarp jų yra geležies izotopas, vadinamas geležimi-60. Jo branduolys turi 26 protonus, o neutronų – 34, keturiais daugiau, nei dažniausiai pasitaikantis variantas. Tokios geležies negamina jokie Žemėje vykstantys procesai, taigi geležies-60 aptikimas yra labai aiškus supernovos sprogimo paliktų nuosėdų signalas. Tiesa, geležis-60 yra radioaktyvi: pusė jos suskyla per pustrečio milijono metų, tad gerokai senesnių sprogimų pėdsakai jau pranykę.

Geležies-60 signalas aptiktas vandenynų dugne prieš daugiau nei 10 metų. Viename dugno nuosėdų sluoksnyje šio elemento yra keletą kartų daugiau, nei kituose. Naujausia analizė rodo, kad šio sluoksnio amžius yra apie 1,7-2,7 milijono metų. Gali būti, kad neseniai sprogusių supernovų buvo netgi dvi: viena prieš 2,3 milijono metų, kita – prieš pusantro milijono. Ar šie sprogimai, įvykę mažiau nei šimto parsekų atstumu, turėjo reikšmingos įtakos gyvybei Žemėje, nežinia, tačiau kaip tik prieš maždaug 2 milijonus metų išnyko nemažai moliuskų rūšių, taigi sąsajos įmanomos.

Fosilijos iš vandenyno dugno, kuriose aptikta geležis-60. ©Marianne Hanzlik, Chemie Department, FG Elektronenmikroskopie, Technische Universität München

Šių dviejų prieš kelis milijonus metų sprogusių supernovų savybės nėra nustatytos vienareikšmiškai. Gali būti, kad jos sprogo ir arčiau, už kokių 50 parsekų. Koks galėtų būti poveikis Žemei, jei supernova sprogtų taip arti? Didele dalimi jis priklauso nuo to, kaip nusidriekusios tarpžvaigždinę erdvę užpildančio magnetinio lauko linijos. Jeigu jos eina nuo supernovos mūsų link, tada Žemę gali pasiekti dešimtis tūkstančių kartų už įprastą stipresnis kosminių spindulių srautas. Šitaip ir tokia tolima supernova gali išdeginti viršutinius atmosferos sluoksnius ir pridaryti kitokios žalos. Jei magnetinis laukas yra netvarkingas arba nukreiptas nuo supernovos kita kryptimi, nei Žemė, situacija mums būtų daug geresnė – kosminių spindulių srautas nebūtų pavojingas. Bet kuriuo atveju, kosminių spindulių srauto pokyčiai gali tęstis apie 10 tūkstančių metų.

Dinaminis poveikis. Supernovų sprogimų poveikis Žemei nėra tik toks tiesioginis. Kiekvienos supernovos paliktas sprogimo pėdsakas, vadinamas supernovos liekana, plečiasi dešimtis ar šimtus tūkstančių metų ir sukuria mažesnio tankio burbulą tarpžvaigždinėje terpėje. Burbulas gali būti ypatingai didelis ir ilgaamžis, jei jį sukuria keletas supernovų sprogimų. Turint omeny, kad beveik visos žvaigždės formuojasi ne pavieniui, o grupėmis, supernovos sprogsta irgi grupėmis. Saulės sistema šiuo metu yra tokiame burbule, vadinamame vietiniu burbulu. Tiksli jo kilmė nėra žinoma, bet viena iš pagrindinių hipotezių teigia, kad jį sukūrė keli supernovų sprogimai netolimoje jaunų žvaigždžių grupėje, vadinamoje Skorpiono-Kentauro OB asociacija.

Koks yra gyvenimo burbule poveikis Žemei? Kol kas to tiksliai atsakyti negalime. Buvimas mažo tankio aplinkoje greičiausiai reiškia, kad Žemę pasiekia mažiau tarpžvaigždinių dulkių, dujų ir kosminių spindulių, kurie gali būti pavojingi. Iš kitos pusės, buvimas didesnio tankio zonoje reiškia daugiau cheminių reakcijų produktų mūsų kosminėje aplinkoje, o tarp šių produktų galėjo būti ir junginių, padedančių formuotis ir vystytis pirmykštei gyvybei.

Daug tolimesnėje praeityje bent viena supernova mums yra ypatingai svarbi. Mes nežinome, kaip toli ji sprogo, bet atstumas negalėjo būti ypatingai didelis – gal kelios dešimtys parsekų. Supernovos burbulo kraštus ribojanti smūginė banga besiplėsdama supurtė niekuo neišskirtinį dulkių ir dujų debesį kažkur Paukščių Tako diske. Sukrėtimas nulėmė, kad debesis ėmė trauktis ir skaidytis į gabaliukus, kurie virto žvaigždėmis. Viena iš žvaigždžių buvo ir mūsų Saulė. O po beveik penkių milijardų metų mes, tyrinėdami Saulės sistemos asteroidus ir meteoritus, galime nustatyti supernovos savybes. Mat supernovos liekana ne tik sukėlė debesies kolapsą, bet ir papildė jį sunkiais radioaktyviais cheminiais elementais, tokiais kaip aukščiau minėta geležis-60. Šie pateko į meteoritus ir per kelis milijonus metų suskilo, todėl dabar, atradę jų skilimo produktus, galime nustatyti, kad supernovos sprogimas įvyko vos keli milijonai metų prieš susiformuojant pirmosioms Saulės sistemos uolienoms. Kitų elementų, tokių kaip berilio-10, gausa rodo, kad sprogusi žvaigždė greičiausiai buvo neypatingai masyvi, lyginant su kitomis supernovų sukėlėjomis – mažiau nei 12 kartų masyvesnė už Saulę.

Supernovos sukelto žvaigždžių formavimosi proceso schema ir pavyzdys – ūkas Henize 206 Didžiajame Magelano debesyje. ©NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC-Caltech)

Laiqualasse

4 comments

  1. Įdomus straipsnis. Ar gali būti taip, kad po artimos supernovos sprogimo atsirado hominidai. Nes kaip suprantu tokiu būdu žemė gavo daug radiacijos. O butent ji sukelia genų mutacijas. O galbūt ir pati gyvybė susiformavo dėl tokių mutacijų

    1. Tai, kad gyvybė galėjo atsirasti dėl kokio nors kosminio įvykio - visai įmanoma hipotezė. O dėl hominidų abejoju - kaip suprantu, tai buvo labai tolygus procesas, be jokio aiškaus mutacijų paspartėjimo. Bet aš ne biologas, galbūt mano žinios visai neatitinka realybės.

  2. "...papildė jį sunkiais radioaktyviais cheminiais elementais, tokiais kaip aukščiau minėta geležis-60. Šie pateko į meteoritus ir todėl neskilo į lengvesnius..."

    Norite pasakyti, kad radioaktyvūs elementai patekę į meteoritus nustoja tokiais būti (nebeskyla)? Koks tokios transformacijos fizikinis mechanizmas?

    1. Sveiki. Gerai pastebėjote - padariau klaidą. Geležis-60 greitai suskyla į kitus elementus, kurių egzistavimai meteorituose leidžia spręsti, jog tos geležies ten buvo. Tekstą pataisiau ir ačiū už pataisymą :)

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *