原标题：Terrestrial Effects Of Nearby Supernovae In The Early Pleistocene

作者：Brian C. Thomas (Washburn Univ.), E. E. Engler (Washburn Univ.), M. Kachelrieß (NTNU), A. L. Melott (Univ. Kansas), A. C. Overholt (MidAmerica Univ.), D.V. Semikoz (U. Paris Diderot, Nat. Res. Nuclear U.)

来源：https://arxiv.org/abs/1605.04926

摘要

近期的研究结果表明在离地球大约 100 秒差距 (也就是离地球大约 300 光年) 远的地方发生过多次超新星爆发事件，其中主要的两起一次发生在 170 到 320 万年之前，另一次发生在 650 到 870 万年之前。这些事件被认为在近邻星际介质中造成空洞 (local bubble)，并且把铁的 60 号同位素输运到地球和月球上。通过局部宇宙线谱还能推测出其它事件。有了这些最新和更细致的图景，我们想知道是否这些超新星对地球大气和生物圈有重大影响。作为对最可能情形的初次研究，我们结合了光子和宇宙线的效应，发现 100 秒差距远的超新星的可见光对地球生物只有很小的影响，但穿越大气层的那些能量超过 TeV (万亿电子伏) 的宇宙线会导致对流层的电离度在数千年内提高一个数量级，而地面以及海洋上层受到的 \(\mu\) 子辐照会提高 20 倍，这会让地球生物受到的总辐射提高大约 3 倍。这些效应可能会改变气候，以及提高癌症发病率和基因变异率。具体的效应还需要更进一步的研究。

背景知识

• 超新星导致物种灭绝的边缘证据：Melott & Thomas 2009
• 伽马暴也有可能
• Gehrels et al. (2003) 的计算认为大约 8 秒差距内的超新星爆发才能引起大规模物种灭绝
• 大气电离的计算模型：Usoskin et al. 2011; Atri et al. 2010; Melott et al. 2016
• 宇宙线对地面的影响：Overholt et al. 2015
• 地球上放射性同位素作为近邻超新星爆发的证据： Ellis et al. (1996)
• 深海铁磁性地壳中的铁 60：Knie et al. (1999)
• 系列超新星爆发导致近邻星际介质空洞
• 当今宇宙线谱可能包含一个或多个超新星爆发的证据：Erlykin and Wolfendale 2010
• 新的实验和计算表明大约九百万年前距离地球大约 100 秒差距的超新星爆发
• 两百万年前距离地球几百秒差距内的超新星爆发能解释额外多出的能量超过 20 GeV 的正电子和反质子，以及 TeV 到 PeV 范围内宇宙线质子和重原子核的能谱：：Kachelrieß et al. (2015)
• 还能解释宇宙线的偶极各向异性：Savchenko et al. 2015
• 基于对铁 60 的输运和沉积的考量，发现 220 万年前距离地球 100 秒差距的电子俘获超新星对实验结果拟合得比较好：Fry et al. (2015)
• Breitschwerdt et al. (2016) 研究了铁 60 的沉积历史和近邻恒星轨迹
• Wallner et al. (2016) 给出了更多深海数据
• 月球上的铁 60: Fimiani et al. 2016
• 直接太空探测：Binns et al. 2016
• 宇宙线对地球的作用受到太空和地球磁场的影响很大
• 地球上近千万年没有大规模物种灭绝事件，但有区域性的灭绝事件
• 有的与气候变冷有关，导致大约 250 万年前往更新世的转变，而接下来是频繁的冰川活动
• 超新星辐照引起气候变化：Erlykin and Wolfendale 2010
• 宇宙线、云、气候三者之间的联系 (有争议)：Svensmark 2015；Mironova et al. 2015
• 宇宙线的大气效应：Melott et al. (2016)，Atri et al. (2010)
• 地面的谬子和中子流量计算：Atri and Melott (2011) and Overholt et al. (2013, 2015)