树木的年轮，隐藏着超新星的秘密

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树木的年轮，隐藏着超新星的秘密是怎么回事，是真的吗？2020年12月15日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                树木的年轮，隐藏着超新星的秘密
                               
                                科学家提出，树木的年轮或许可以成为超新星爆发的记录。
                               
                               



每时每刻，宇宙中都在上演着我们肉眼无法看见的、最激烈的电影。

例如，我们在夜空中看到的点点繁星，它们看似安静，但实际上在它们的一生中都在上演着一场龙争虎斗：向外的热压力时刻都与向内的引力对抗着。在大部分的时间里，这两种力都会保持平衡，防止恒星因引力的挤压而坍缩。


恒星内部向内与向外的力相互平衡。| 图片来源：NASA

然而，当一颗巨大的恒星走到生命末期时，它的燃料逐渐耗尽，这种平衡就会被打破。随着恒星内部的核聚变逐渐减慢，引力就会开始掌控，使恒星坍缩。

想象一下，短短十数秒的时间内，一个质量至少比太阳大8倍的恒星迅速坍缩，产生巨大的冲击波，导致恒星的外层爆炸，形成超新星。超新星爆发后，最终会留下密度极高的核心和不断膨胀的星云，著名的蟹状星云就是这样形成的。如果这颗恒星的质量足够大，爆炸后甚至可以形成宇宙中最致密的天体——黑洞。

超新星爆发时的峰值亮度是太阳的几十亿倍，在几天甚至几个月内，它的光芒甚至可以超过整个星系。同时，爆发产生的X射线和伽马射线可以杀死半径50光年内所有生命。即使距离更远一些，爆发的能量也有可能剥离地球上的臭氧层，使地球表面暴露在外太空的辐射中。所幸超新星爆发的频率并不高，在像银河系这样的星系中，每个世纪大约会出现两到三次超新星爆发，因此地球目前还是安全的。

但即使是距离地球几千光年外的超新星爆发，依然会在地球上留下痕迹。在近期发表在《国际天体生物学期刊》上的研究中，科罗拉多大学博尔德分校的地球科学家Robert Brakenridge提出，树木的年轮或许可以成为超新星爆发的记录。Brakenridge和他的团队研究了古树的年轮，对其中的碳-14同位素进行的研究，并找到了超新星爆发的证据。

碳-14是碳元素的一种具放射性的同位素，由6个质子和8个中子组成。由于这种同位素具有放射性，可以根据其半衰期测定年代，常用于放射性测定年代法。

地球每时每刻都会受到宇宙射线的撞击，太阳活动和超新星爆发都是宇宙射线的主要来源。当具有放射性的宇宙射线进入大气层，并轰击平流层和对流层时，它会与空气中的氮原子发生核反应，并形成碳-14同位素。由于宇宙射线以较为恒定的强度进入大气层，因此地球上碳-14同位素的含量也相对较为稳定。地球上只有兆分之一的碳是以碳-14同位素的形式存在。


宇宙射线会与氮原子发生反应，形成碳-14同位素。

同时，地球上的树木可以吸收碳-14同位素，因此古树年轮中的放射性浓度记录下了万年来地球上碳-14同位素的数量变化。

研究团队测量了古树年轮中的碳-14含量发现，在过去15000年中，古树中碳-14同位素的吸收出现过多次大幅增长。这种增长通常被解释为太阳耀斑和太阳风暴的证据，但Brakenridge提出，或许它们并不是太阳活动导致的，而应当归因于超新星爆发的影响。

为了验证这一假说，研究筛选出了在过去50000年内与地球距离不超过1.5千秒差距（约5000光年）的超新星爆发事件，共有18次。研究团队收集整理了这18次超新星爆发的信息，包括距今时间、与地球相隔的距离、放射性射线的能量，通过理论和模型估算了每次超新星爆发会使地球上新生成多少碳-14同位素，也就是碳-14同位素新增量的理论值。

然后，研究团队将每次爆发事件对应的碳-14同位素新增量理论值和同一时期树木年轮中碳-14同位素的新增量进行了对比。超新星爆发与地球距离越近，地球可以接收到越多放射性射线，碳-14同位素的增长越多。因此，研究人员发现，对于距离地球最近的8次超新星爆发，这两个数值的对应关系比较显著。在其中4次超新星爆发中，这一对应关系格外显著。

比如，Vela是一颗距离地球800光年的超新星，大约在12300年前爆发，同一时期年轮中的碳-14同位素含量增加了3％；而S165是一颗距离地球约2300光年的超新星，爆发时间约7700年前，同一时期碳-14同位素含量上升了2％。


左图为与Vela超新星爆发同一时期的树木年轮中碳-14同位素含量的变化，右图为与S165超新星爆发同一时期的树木年轮中碳-14同位素含量的变化。| 图片来源：Brakenridge, G. R.

根据结果，研究人员认为，年轮中碳-14同位素的增长很有可能是由超新星爆发引起的。然而，仅根据目前的证据还不足以下定论，碳-14同位素的增长由太阳活动引起的可能性也无法被完全排除。

研究后续还需要进行定量分析，通过进一步观察和建模来确定超新星爆发的辐射与碳-14的增长是否在一定范围内成比例。同时，目前也有研究专注于冰芯中Be-10和Cl-36同位素含量的研究。这两种放射性同位素的生成同样与宇宙射线有关，它们或许可以提供更多证据。

参考来源：
G. Robert Brakenridge, Solar system exposure to supernova γ radiation, International Journal of Astrobiology (2020).
https://spaceplace.nasa.gov/supernova/en/
https://www.sciencealert.com/traces-of-supernovae-could-be-locked-in-the-rings-of-ancient-tree