[論文レビュー] The threat to life from Eta Carinae and gamma ray bursts

Arnon Dar, A. De Rújula|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2001

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、エータ・カービナエのような大質量星から発生するガンマ線バースト（GRBs）が、相対論的ジェットが生命が存在可能な惑星系に正確に向けられている場合、地球や他の惑星の生命に深刻な脅威をもたらす可能性があると提唱している。ガンマ線バーストはオゾン層破壊と大気のイオン化を引き起こし、大量絶滅を引き起こす可能性があり、その予測される発生頻度は1億年に1度である。これは地球の地質記録に観察された絶滅イベントと整合的である。

ABSTRACT

Eta Carinae, the most massive and luminous star known in our galaxy, is rapidly boiling matter off its surface. At any time its core could collapse into a black hole, which may result in a gamma-ray burst (GRB) that can devastate life on Earth. Auspiciously, recent observations indicate that the GRBs are narrowly beamed in cones along the rotational axis of the progenitor star. In the case of Eta Carinae the GRBs will not point to us, but will be ravaging to life on planets in our galaxy that happen to lie within the two beaming cones. The mean rate of massive life extinctions by jets from GRBs, per life-supporting planet in galaxies like ours, is once in 100 million years, comparable to the rate of major extinctions observed in the geological records of our planet.

研究の動機と目的

• エータ・カービナエからのガンマ線バースト（GRBs）が、地球や他の生命が存在可能な惑星に及ぼす潜在的脅威を評価すること。
• GRBsが、地球の地質記録に観察された主要な大量絶滅を引き起こしている可能性を評価すること。
• GRBsにおけるビーム状の相対論的ジェットの役割と、地球型の惑星に影響を及ぼす可能性を調査すること。
• GRBsがフェルミのパラドックス、特に検出可能な地球外文明の不在に関する影響を検討すること。

提案手法

• BATSEおよびその他の機器からの赤方偏移とフラランスデータを用いて、既知のGRBsのエネルギー出力と距離を分析する。
• 等方的放射を仮定して全エネルギー放出を推定するため、$ E_{\gamma} = 4\pi D_L^2 F_{\gamma} / (1+z) $ の等方的エネルギー式を適用する。
• エータ・カービナエからの仮想のGRBのための大気へのエネルギー堆積を推定する。距離は2 kpc、出力はGRB 990123のものと仮定する。
• 高エネルギー$\gamma$線とミューオンが地球の大気、オゾン層、生物圏に及ぼす影響を評価する。
• 予測されたGRB誘発絶滅頻度（1億年に1度）を化石記録における観察された絶滅頻度と比較する。
• GRBジェットがオールト雲を攪乱し、彗星の降下を引き起こす可能性を検討する。これにより大量絶滅に寄与する可能性がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エータ・カービナエからのガンマ線バーストが、地球を向いたビーム状のジェットである場合、大気のイオン化とオゾン層の枯渇によって大量絶滅を引き起こす可能性はあるか？
• RQ2 ミルキーウェイのような銀河における生命を支える惑星に、GRB誘発の大量絶滅が発生する予想頻度はどの程度か？
• RQ3 観測されたGRBの後光および高エネルギー$\gamma$線の検出は、非常にビーム状の相対論的ジェットの仮説をどのように支持するか？
• RQ4 インパクトや火山活動の誘因を必要とせず、GRBsがK/TおよびP/Tイベントのような主要な大量絶滅のタイミングと規模を説明できるか？
• RQ5 なぜ高度な文明は我々に接触していないのか？また、GRB誘発の大量絶滅がフェルミのパラドックスを説明できるか？

主な発見

• エータ・カービナエからのGRBは、わずか2 kpcの距離に位置しているため、地球の大気へ約$ 4 \times 10^9 \, \text{erg} \, \text{cm}^{-2} $ のエネルギーを堆積させ、星に向かう半球の1km²あたり1キロトンTNTに相当する。
• このようなGRBからの推定エネルギー堆積は、オゾン層の破壊、世界的な嵐の発生、広範囲の火災の発生を引き起こすのに十分である。
• GRB誘発の大量絶滅の発生頻度は、生命を支える惑星1つあたり1億年に1度と推定され、過去5億年間の主要な絶滅イベントの観察頻度と一致する。
• 地上のアレイ（GRANDEやMilagroを含む）によって検出された100 GeVを超える高エネルギー$\gamma$線は、GRBsの全エネルギー出力が従来の予想よりも100倍も大きい可能性を示唆している。
• BATSEのGRBsと一致してTeV$\gamma$線が検出されたことは、GRBsが従来のモデルが予測したよりもはるかに有害である可能性を示しており、ミューオンのフラックス増加と大気のイオン化が原因である。
• GRBジェットはオールト雲を攪乱し、彗星の降下を引き起こす可能性があり、これにより大量絶滅に寄与する可能性がある。これは一部の絶滅イベントを統合的に説明するメカニズムを提供する。