[論文レビュー] On gamma-ray bursts and their biological effects :a case for an extrinsic trigger of the Cambrian explosion ?

J. E. Horvath|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2003

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、近距離のガンマ線バースト（GRB）が、NOx触媒サイクルを介してオゾン層の深刻な破壊を引き起こし、大量の紫外線放射への露出を引き起こすことで、カンブリア紀の爆発的多様化を引き起こした可能性を提唱している。その結果生じる生態的空間の空虚化が、急速な種分化を可能にしたと考えられ、約544Myr前に突然現れた動物の多様化について、外部要因による説明を提示している。

ABSTRACT

We discuss some the effects of local gamma-ray bursts on the earth's atmosphere. A rough calculation of the fraction of ozone destruction by catalytic $NO_{x}$ cycles is given, which in turn serves to argue how the large flux of gammas from these events would have indirectly provoked major extinction of living organisms. We give specific examples of these features, and tentatively identify the Cambrian explosion seen in the actual fossil record as an event caused by a GRB.

研究の動機と目的

• 局所的なガンマ線バースト（GRB）が地球に顕著な大気的・生物学的影響を及ぼした可能性を調査すること。
• NOx触媒サイクルを介したオゾン層破壊によってGRBが大量絶滅を引き起こす可能性を評価すること。
• カンブリア紀の爆発的多様化（動物の急速な多様化）が、このような外部要因によるGRBイベントによって引き起こされた可能性を提唱すること。
• GRBが生物進化の歴史におけるパunction的要因（突然の変化を引き起こす要因）として現実的にあり得るかどうかを評価すること。

提案手法

• Eγ ≈ 10^51 ergの標準キャンドル状況を仮定し、等方的放射を想定して、GRBからのガンマ線フラックスをモデル化すること。
• Ruderman-Schramm-Ellisフレームワークを用いて、NO生成およびオゾン層破壊のための主要な式を用いて、NOx触媒サイクルによるオゾン破壊を計算すること。
• オゾン層の崩壊後に地球表面に及ぶ紫外線B（UV-B）フラックスの増加を推定すること。
• 強化されたUV-B放射にさらされた状況下で、海洋単細胞生物の致死的時間スケールを単純な減衰モデルを用いて計算すること。
• 大量絶滅に伴う生態的影響、特に個体群の孤立化と急速な種分化の可能性を分析すること。
• 提案されたGRB誘発イベントが、特にエディアカラ紀の生物の絶滅と複雑な多細胞動物の出現を特徴とするプロテロゾイク紀-カンブリア紀境界の化石記録とどのように一致するかを比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近距離のガンマ線バーストが、地球に広範な生物的絶滅を引き起こすほどに深刻なオゾン層破壊を引き起こした可能性はあるか？
• RQ2 高フラックスのガンマ線バーストに続くNOx触媒サイクルが、オゾン層破壊をどの程度まで拡大するか？
• RQ3 カンブリア紀の爆発的多様化の時期とパターンは、GRBイベントに起因する予想される環境的・生物学的影響と整合性があるか？
• RQ4 他の提案されたカンブリア紀の爆発的多様化の原因（例：内因的進化的メカニズム）と比較して、本稿で提唱されたGRB誘発要因はどのように異なるか？
• RQ5 このような高エネルギー天体的イベントの痕跡として、間接的な地質的または同位体的痕跡は何か？

主な発見

• 0.7×10^7 erg cm⁻²以上のガンマ線フラックスが、NOx触媒サイクルを介して、オゾン層の深刻な破壊を引き起こし、最小90％のオゾン層損失を引き起こす。
• GRBフラッシュからのNO生成率は、y_flash ≈ 51φ₇^(1/2) − 5と推定され、ここでφ₇は10^7 erg cm⁻²にスケーリングされたガンマ線フラックスである。
• 生成されたNOの量は、オゾン層を元の値の約10％まで低下させるのに十分であり、その留着時間は約4年間で、紫外線露出の持続を助長する。
• オゾン層崩壊後に強化されたUV-Bフラックスにさらされた海洋単細胞生物は、1時間未満の致死的時間スケールにさらされる。
• エディアカラ紀の生物の大量絶滅に起因する生態的混乱は、急速な種分化を促進する環境を生み出す可能性があり、これがカンブリア紀の爆発的多様化を説明する要因となる。
• このような出来事の明確な地質的痕跡（例：イリジウム層）が存在しないことから、主に負の炭素同位体異常といった微細な同位体異常を探索する必要があると考えられる。