[論文レビュー] Near-Earth Supernova Explosions: Evidence, Implications, and Opportunities

Brian D. Fields, John Ellis+37 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、深海堆積物および月のサンプルからの強力な証拠を提示し、過去300万年以内に地球から100 pc以内で少なくとも1つの超新星爆発が発生したことを示している。その証拠は、放射性同位体⁶⁰Feによって検出された。加速器質量分光法を用いて、この研究は約200万～300万年前にピークを示す⁶⁰Fe信号を確認した。この信号の沈殿期間は100万年以上にわたり、地球の地質記録との直接的な天体物理学的関連を確立し、マルチメッセンジャ天体物理学、宇宙生物学、核天体物理学の分野に新たな道を開いた。

ABSTRACT

There is now solid experimental evidence of at least one supernova explosion within 100 pc of Earth within the last few million years, from measurements of the short-lived isotope 60Fe in widespread deep-ocean samples, as well as in the lunar regolith and cosmic rays. This is the first established example of a specific dated astrophysical event outside the Solar System having a measurable impact on the Earth, offering new probes of stellar evolution, nuclear astrophysics, the astrophysics of the solar neighborhood, cosmic-ray sources and acceleration, multi-messenger astronomy, and astrobiology. Interdisciplinary connections reach broadly to include heliophysics, geology, and evolutionary biology. Objectives for the future include pinning down the nature and location of the established near-Earth supernova explosions, seeking evidence for others, and searching for other short-lived isotopes such as 26Al and 244Pu. The unique information provided by geological and lunar detections of radioactive 60Fe to assess nearby supernova explosions make now a compelling time for the astronomy community to advocate for supporting multi-disciplinary, cross-cutting research programs.

研究の動機と目的

• 数百万年以内に地球から100 pc以内で超新星爆発が発生したことを、同位体証拠を用いて確立すること。
• 地球および地球外のサンプルに検出された⁶⁰Fe信号のタイミング、継続期間、天体物理学的起源を特定すること。
• 近接する超新星が地球のハリオスフィア、生物圏、地質系に与える影響を調査すること。
• 天体物理学、地質学、宇宙生物学の分野における超新星の影響を研究するための、横断的資金支援を提言すること。
• 他の短寿命同位体（例：²⁶Al、²⁴⁴Pu）の今後の検出ターゲットを特定し、母体星の性質を制約すること。

提案手法

• 深海鉄マンガン crust および堆積物において、感度が約3×10⁻¹⁷に達するまで⁶⁰Fe/Fe比を検出するための加速器質量分光法（AMS）の使用。
• 複数のグローバルおよび月のサンプルからの⁶⁰Feデータを分析し、沈殿歴および信号継続期間を推定すること。
• 逆二乗法および母体星の噴出物質量モデルを用いて、源までの距離を推定：D ∝ √(Mₑⱼ,₆₀ / ℱ₆₀)、ここでMₑⱼ,₆₀は噴出物質量、ℱ₆₀は観測されたフラクチュエーションである。
• ⁶⁰Fe信号と地質記録、宇宙線記録の相関を用いて、生物圏およびハリオスフィアへの影響を評価すること。
• ⁶⁰Feおよび²⁶AlからのMeVガンマ線線の可能性を含むマルチメッセンジャデータの統合により、天体物理学的モデルの妥当性を検証すること。
• 地球年代測定および地球化学的アーカイブ（例：³He）を用いて、出来事のタイミングおよび継続期間を精緻化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 約250万年前に地球に⁶⁰Feを沈殿させた超新星の母星質量およびタイプ（核心崩壊型対比してIa型）は何か？
• RQ2 ⁶⁰Feフラックスおよび空間的分布データを用いて、母星超新星の位置を制約できるか？
• RQ3 過去数百万年以内に追加の近接超新星が存在した可能性はあり、それらが⁶⁰Fe信号にどのように影響しているか？
• RQ4 超新星が地球のハリオスフィア、気候、生物圏に与えた影響はどの程度で、進化の変化と関連がある可能性があるか？
• RQ5 ⁶⁰Feに加え、²⁶Al、²⁴⁴Pu、¹⁸²Hfなどの他の短寿命同位体が検出可能か。それらの検出により、核合成および天体物理学的条件をさらに制約できるか？

主な発見

• 深海鉄マンガン crust および堆積物、月の風化層において、約200万～300万年前にピークを示す⁶⁰Fe信号が一貫して検出され、近接超新星イベントの存在を確認した。
• 複数の堆積物および crust サンプルにおいて、⁶⁰Fe沈殿期間が100万年以上にわたり、宇宙空間からの噴出物の継続的または周期的な供給を示している。
• 深海堆積物における⁶⁰Fe/Fe比は、超新星起源と整合的であり、鉄の取り込みや緯度依存の沈降による信号振幅の変動が可能性として挙げられる。
• 月のサンプルは、地球データと一致する⁶⁰Fe信号を示し、地球外起源を確認するとともに、近地球超新星仮説を支持した。
• ⁶⁰Feフラクチュエーションおよび母体星の噴出物質量からの距離推定により、源は約100 pc以内にあり、ローカルバブル環境と整合的であることが示された。
• 鉄含有微小化石に⁶⁰Feが検出されたことで、地質的スケールで長期間にわたりその同位体が保存されていることが確認された。