[논문 리뷰] The habitability of the Universe through 13 billion years of cosmic time

Pratika Dayal, Martin Ward외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 29.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 138억 년에 걸친 우주의 우주론적 생명 가능성에 대해 타입 II 초신성(SNII), 타입 Ia 초신성(SNIa), 감마선 폭발(GRBs), 활성 은하핵(AGN)으로부터의 누적 유해 방사선을 모델링하여 평가한다. 연구 결과, SNII가 방사선 위협과 생명 가능성 손실의 주요 원인으로 작용하며, 그 다음으로 SNIa가 영향을 미치고, GRBs와 AGN은 기여가 미미하다. 이로 인해 우주의 생명 가능성은 시간이 지남에 따라 꾸준히 증가했으며, 생명이 지구에 처음 나타난 지 40억 년 전보다 오늘날 약 2.5배에서 20배 더 높은 생명 가능성 수준에 이르렀다.

ABSTRACT

The field of astrobiology has made tremendous progress in modelling galactic-scale habitable zones which offer a stable environment for life to form and evolve in complexity. Recently, this idea has been extended to cosmological scales by studies modelling the habitability of the local Universe in its entirety (e.g. Dayal et al. 2015; Li & Zhang 2015). However, all of these studies have solely focused on estimating the potentially detrimental effects of either Type II supernovae (SNII) or Gamma Ray Bursts (GRBs), ignoring the contributions from Type Ia supernovae (SNIa) and active galactic nuclei (AGN). In this study we follow two different approaches, based on (i) the amplitude of deleterious radiation and (ii) the total planet-hosting volume irradiated by deleterious radiation. We simultaneously track the contributions from the key astrophysical sources (SNII, SNIa, AGN and GRBs) for the entire Universe, for both scenarios, to determine its habitability through 13.8 billion years of cosmic time. We find that SNII dominate the total radiation budget and the volume irradiated by deleterious radiation at any cosmic epoch closely followed by SNIa (that contribute half as much as SNII), with GRBs and AGN making up a negligible portion (<1%). Secondly, as a result of the total mass in stars (or the total number of planets) slowly building-up with time and the total deleterious radiation density, and volume affected, falling-off after the first 3 billion years, we find that the Universe has steadily increased in habitability through cosmic time. We find that, depending on the exact model assumptions, the Universe is 2.5 to 20 times more habitable today compared to when life first appeared on the Earth 4 billion years ago. We find that this increase in habitability will persist until the final stars die out over the next hundreds of billions of years.

연구 동기 및 목표

• 다양한 천체물리적 방사선 원천의 영향을 통합하여 138억 년에 걸친 우주의 우주론적 생명 가능성 평가.
• SNII, SNIa, GRBs, AGN가 유해 방사선과 생명 가능성 손실에 기여하는 비율을 규명하는 것.
• 별 형성과 금속성 변화를 고려하여 우주의 시간에 따른 총 가용 가능한 생명 가능성 부피와 방사선 밀도의 변화를 모델링하는 것.
• 지구에서 생명이 형성된 지연 시간을 기준으로 하여 생명 가능성의 시간적 증가를 정량화하는 것.
• 우주의 생명 가능성은 최고점에 도달했는지, 또는 향후 정점에 도달할 가능성이 있는지 평가하고, 이는 모델 가정에 따라 어떻게 달라지는지 분석하는 것.

제안 방법

• 이 연구는 두 가지 상호보완적인 접근 방식을 사용한다: (i) 방사선 강도 및 (ii) 유해 방사선에 영향을 받는 총 부피.
• 우주의 시간에 따라 별 형성률 밀도(SFRD) 모델을 사용하여 SNII, SNIa, GRBs, AGN의 누적 방사선을 추적한다.
• 적색편이 의존성 있는 항성 질량 함수와 금속성 변화를 통합하여 행성 수용 가능 부피와 방사선 노출 정도를 추정한다.
• 기존 에너지 출력 기반으로 방사선 플럭스를 계산한다: SNII (~10^53 erg), SNIa (~10^53 erg), GRBs (~10^54 erg), AGN (X선 및 고에너지 방출).
• 생명 가능성은 복잡한 생명체의 기능을 방해할 수 있는 임계치 이하의 부피 비율과 방사선 밀도 비율로 정량화된다.
• 불확실성을 둘러싸기 위해 두 가지 SFRD 모델을 사용하였으며, 두 모델 모두 일관된 추세를 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주의 시간에 따라 SNII, SNIa, GRBs, AGN 중 어떤 천체물리적 원천이 유해 방사선 예산에서 지배적인가?
• RQ2 z ≈ 10에서 현재까지 유해 방사선에 영향을 받는 총 생명 가능성 부피는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 지난 138억 년 동안 우주의 생명 가능성은 어느 정도 증가했는가?
• RQ4 행성 형성과 생명 출현 사이의 14억 년 지연을 고려할 경우, 생명 가능성의 정점 도래 시점은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 우주는 최고의 생명 가능성에 도달하고 있는가, 아니면 향후 정점에 도달하기 위해 계속해서 생명 가능성 증가 추세를 보이고 있는가?

주요 결과

• SNII는 유해 방사선의 주요 원천으로, 총 방사선 예산과 영향을 받는 부피에서 가장 큰 기여를 한다.
• SNIa는 방사선 예산과 영향을 받는 부피에서 SNII의 약 절반 수준의 기여를 하여 두 번째로 중요한 원천이다.
• GRBs와 AGN는 방사선 강도와 영향을 받는 부피 모두에서 1% 미만의 기여를 하여 전체 생명 가능성 모델에서 무시할 수 있다.
• 별 질량의 서서히 축적되고 첫 30억 년 이후에 유해 방사선 밀도가 감소함에 따라 우주의 생명 가능성은 우주의 시간이 지남에 따라 꾸준히 증가했다.
• 지구에서 생명이 처음 나타난 지 40억 년 전보다 오늘날의 우주는 약 2.5배에서 20배 더 높은 생명 가능성 수준에 이르렀다.
• 행성 형성과 생명 출현 사이의 14억 년 지연을 고려할 경우, 우주의 최고 생명 가능성은 여전히 미래에 위치해 있으며, 향후 수백억 년 동안 마지막 항성들이 소멸할 때까지 생명 가능성은 계속 증가할 것이다.