Излучение от взрывов сверхновых

Наиболее яростные события, которые, вероятно, происходили в солнечном окружении в течение геологического и исторического времени – это взрывы сверхновых. Такие взрывы – это яркая смерть массивных звёзд, следующая за гравитационным коллапсом их ядра (сверхновые коллапсары), либо белых карликов в бинарных системах, чья масса за счёт аккреции возросла сверх предела Чандрасекара (термоядерные сверхновые)

Сверхновые-коллапсары взрываются, когда ядерное топливо в ядре массивной звезды с массой больше 8 солнечных истощается и больше не может поддерживать термальное давление, которое уравновешивает гравитационное давление вышележащих слоёв. Затем ядро коллапсирует в нейтронную звезду или звёздную чёрную дыру и высвобождает большое количество гравитационной энергии (~3 x 10⁵³ erg), большая часть которой превращается в нейтрино и только несколько процентов – в кинетическую энергию извергаемой звёздной оболочки, которая содержит радиоизотопы, поставляющие большую часть энергии для излучения.

Термоядерная сверхновая представляет собой термоядерный взрыв белого карлика в двойной звёздной системе. Белые карлики представляют собой конечную точку эволюции звёзд с массами меньшими, чем 8 солнечных масс. Они обычно состоят из углерода или кислорода. Их массы не могут превосходит 1,4 массы Солнца. Белый карлик в бинарной звёздной системе может аккрецировать материал своей звезды компаньона, если они достаточно близки друг к другу за счёт гравитационного притяжения. Падающая материя со звезды компаньона заставляет белый карлик пересечь границу массы в 1.4 солнечной (называемой предел Чандрасекара) и коллапсировать гравитационно. Выделение гравитационной энергии приводит к росту температуры до уровня, на котором углерод и кислород начинают неконтролируемо вступать в термоядерную реакцию. В результате происходит термоядерный взрыв, который разрушает звезду полностью.

Если взрыв сверхновой произойдёт достаточно близко к Земле, он может иметь катастрофические последствия для ее биосферы. Потенциальные последствия взрыва сверхновой около Земли были рассмотрены рядом авторов (Ellis and Schramm, 1995; Ellis et al., 1996; Ruderman, 1979), и последняя работа предполагает, что наиболее важные эффекты будут вызваны их космическими лучами. В частности, их возможная роль в разрушении озонового слоя Земли и открытии земной биосферы для интенсивного облучения солнечными УФ-лучами была подчёркнута в работе Ellis and Schramm, 1995; Ellis et al., 1996. В начале мы рассмотрим прямые радиационные риски, связанные с излучением сверхновой.

Среди новых элементов, которые возникают при взрыве сверхновой- коллапсара и термоядерной сверхновой – радиоактивный никель, который высвобождает огромные количества энергии среди остатков сверхновой. Большая часть этой энергии высвобождается среди остатков и излучается в виде видимого света. Однако свет сверхновой не представляет собой высокого риска. Самые яркие сверхновые достигают пика светимости в 10⁴³ эрг/сек через примерно пару недель после взрыва, и затем светимость убывает примерно экспоненциально с периодом «полураспада» в 77 дней (что соответствует периоду полураспада радиоактивного кобальта, возникающего в результате распада никеля). Такая светимость на расстоянии 5 парсек от Земли в течение пары недель добавит примерно 1% к солнечному излучению, которое достигает Земли и не будет иметь никаких катастрофических последствий. Более того, средняя частота галактических сверхновых составляет примерно 1 раз в 50 лет (van den Bergh and Tammann, 1991). Большинство взрывов сверхновых случаются гораздо ближе к центру Галактики, чем проходит орбита Солнца. На основании наблюдаемого распределения галактических остатков сверхновых, и средней частоты взрывов сверхновых, вероятность того, что в течение ближайших 2 миллиардов лет (до того, как Солнце станет красным гигантом) Солнечная система в своём галактическом движении пройдёт на расстоянии 15 световых лет от сверхновой, составляют менее 1%.

Прямые угрозы Земле от ультрафиолетового, рентгеновского и гамма излучения сверхновых и их остатков ещё меньше, поскольку атмосфера непрозрачна для этих излучений. Единственная серьёзная угроза состоит в возможном разрушении земного озонового слоя, за которым последует проникновение солнечного УФ излучения и поглощение видимого света окисью азота NO2 в атмосфере. Однако угроза со стороны сверхновых, находящихся на расстоянии более 30 световых лет, не превышает угрозу от солнечных вспышек. Озоновый слой часто повреждается солнечными вспышками и, судя по всему, восстанавливался относительно быстро.

Гамма-всплески

Гамма-всплески – это короткие вспышки гамма-лучей с энергией в диапазоне МэВ, которые происходят в наблюдаемой вселенной приблизительно 2-3 раза в день (см., например, Meegan and Fishman, 1995). Они делятся на два различных класса. Примерно 75% – это длинные всплески с мягким спектром, которые длятся более чем 2 секунды, остальные – это короткие вспышки с жёстким спектром (SHB), которые длятся менее 2 секунд.

Всё больше накапливается свидетельств из наблюдений послесвечений длинных гамма-всплесков, что длинные всплески создаются высокорелятивисткими джетами, извергаемыми в момент смерти массивными звёздами при взрывах сверхновых.(см например Dar 2004 и ссылки в внутри этой статьи). Природа коротких гамма-всплесков только отчасти известна. Они не связаны со взрывами сверхновых какого-либо известного типа, и их энергия на три порядка меньше.

Thorsett (1995) первым высказался о потенциальном воздействии на атмосферу Земли и об ущербе биоте в результате жёстких рентгеновских и гамма-лучей из галактического гамма-всплеска, направленного на Землю, в то время как Dar и др. (1998) предположили, что основной ущерб от галактических гамма-всплесков происходит за счёт космических лучей, ускоренных джетами, которые созданы гамма-всплеском (Shaviv and Dar, 1995). В то время как потоки гамма-лучей и рентгеновских лучей от галактических гамма-всплесков, которые попадают на Землю, и их частота могут быть надёжным образом измерены на основании наблюдений гамма-всплесков и их связи со сверхновыми, это не верно для космических лучей, чьё излучение может быть оценено только на основании сомнительных моделей. Следовательно, хотя эффекты от космических лучей могут быть гораздо более разрушительны, чем эффекты от гамма-лучей и рентгеновских лучей от того же самого события, другие авторы (e.g., Galante and Horvath, 2005; Melott et al., 2004; Scab and Wheeler, 2002; Smith et al., 2004; Thomas et al., 2005) предпочитают концентрироваться в основном на эффектах облучения гамма-лучами и рентгеновскими лучами.

Распределение взрывов сверхновых по галактике известно на основании распределения их остатков. Большинство взрывов сверхновых происходит в галактическом диске на галактоцентрических расстояниях, которые гораздо меньше, чем расстояние от Земли до центра галактики. Их среднее расстояние до Земли примерно 25 000 лет. На основании измеренного потока энергии от гамма-всплесков (энергии, которая достигает Земли на единицу площади) при известном красном смещении, было обнаружено, что средняя энергия излучения длинного гамма-всплеска составляет примерно 5 x 10⁵³/dO/4п эрг, где dO – телесный угол, освещаемый гамма-всплеском (угол излучения). Энергия излучения короткого гамма-всплеска меньше приблизительно на 2-3 порядка.

Если гамма-всплески в нашей галактике не отличаются от всплесков в других галактиках, то тогда их поток излучения пропорционален обратному квадрату расстояния. Если типичный галактический гамма-всплеск на расстоянии 25 000 световых лет будет направлен прямо на Землю, то тогда полушарие Земли, повёрнутое в сторону гамма-всплеска, будет освещено гамма-лучами с полным потоком 5 x 10⁵³/4п d² ~ 4 x 10⁷ эрг/сек в течение 30 сек. /То есть 120 джоулей на кв. см за эти 30 секунд – АТ или в 40 раз больше, чем светимость солнца./ Излучение и момент количества движения гамма-всплеска высвободится примерно внутри 70 г/кв.см верхнего слоя атмосферы (полная толщина атмосферы на уровне моря равна примерно 1000 г./кв.см.) Такие потоки разрушат озоновый слой и создадут мощную ударную волну, которая пойдёт вниз по атмосфере, вызывая гигантские глобальные штормы и сильные пожары. Smith et al. (2004) оценили, что доля от 2 x 10~³ до 4 x 10~² потока энергии гамма-всплеска превратится в атмосфере в УФ поток на уровне земли. Основной ущерб от УФ излучения терпят молекулы ДНК и РНК, которые впитывают это излучение.

Летальная доза УФ излучения составляет примерно 10⁴ эрг/кв.см., делая гамма-всплеск на расстоянии 25 000 световых лет крайне смертельно опасным (e.g., Galante and Horvath, 2005) для того полушария, которое обращено к гамма-всплеску. Однако условия обитания могут предоставить защиту (под водой, под землёй, под крышей и в затенённых областях) или при качественной защите, даваемой кожей, каковой является мех у животных и одежда у людей. Короткое время гамма-всплеска и отсутствие какого-либо предупреждающих сигналов делает спасение путём перемещения в укрытие или в тень или путём быстрого накрывания чем-то – нереалистичным для большинства видов живых существ.

Следует отметить, что мега-электрон-вольтное гамма-излучение гамма-всплеска может сопровождаться короткой вспышкой очень высоко-энергетичных гамма-лучей, которые в настоящий момент не могут быть зафиксированы ни с помощью спутников, наблюдающих в гамма-лучах и рентгеновских лучах (CGRO, BeppoSAX, HETE, Chandra, XMMNewton, Integral, SWIFT и межпланетная сеть), ни наземными гамма-телескопами высоких энергий, такими как HESS и Magic (по причине задержки во времени реакции). Такие вспышки гамма-лучей в диапазоне энергий GeV и TeV, если их производит гамма-всплеск, могут быть зафиксированы широкоформатным космическим гамма-телескопом (Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST)), который будет запущен в космос 16 мая 2008 г. GeV-TeV гамма-лучи от относительно близкого гамма-всплеска могут создавать смертельные дозы атмосферных мюонов.