[論文レビュー] Terrestrial Impact from the Passage of the Solar System through a Cold Cloud a Few Million Years Ago

M. Opher, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2022

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、約200万年前に地球が密度の高い冷たい銀河間雲にさらわれたことで、太陽系のハリオスフェアが水星の軌道より内側に縮小し、中性水素の流入量が約3000 cm⁻³に増加したと提案している。電荷交換を含む磁気流体力学的（MHD）シミュレーションにより、この現象が地球の気候に影響を及ぼし、人類の進化にも関与した可能性があることが示され、過去の銀河間接触の同位体的証拠によって裏付けられている。

ABSTRACT

It is expected that as the Sun travels through the interstellar medium (ISM), there will be different filtration of Galactic Cosmic Rays (GCR) that affect Earth. The effect of GCR on Earth's atmosphere and climate is still uncertain. Although the interaction with molecular clouds was previously considered, the terrestrial impact of compact cold clouds was neglected. There is overwhelming geological evidence from 60Fe and 244Pu isotopes that Earth was in direct contact with the ISM 2 million years ago, and the local ISM is home to several nearby cold clouds. Here we show, with a state-of the art simulation that incorporate all the current knowledge about the heliosphere that if the solar system passed through a cloud such as Local Leo Cold Cloud, then the heliosphere which protects the solar system from interstellar particles, must have shrunk to a scale smaller than the Earth's orbit around the Sun (0.22). Using a magnetohydrodynamic simulation that includes charge exchange between neutral atoms and ions, we show that during the heliosphere shrinkage, Earth was exposed to a neutral hydrogen density of up to 3000cm-3. This could have had drastic effects on Earth's climate and potentially on human evolution at that time, as suggested by existing data.

研究の動機と目的

• 太陽系が約200万年前に冷たい銀河間雲を通過した際の地上への影響を調査すること。
• このような出来事がハリオスフェアのサイズや地球の銀河間粒子への露出に与える影響を評価すること。
• 増加した銀河間中性水素の流入が気候的・進化的な結果をもたらした可能性を評価すること。
• 地球の地質的記録から得られる過去の銀河間接触の証拠（⁶⁰Fe、²⁴⁴Pu）と、ハリオスフェア反応の天文学的モデルを一致させること。
• 最新のMHDモデルに電荷交換を組み込んだ状態で、極端な銀河間環境下におけるハリオスフェアの挙動をシミュレートすること。

提案手法

• 太陽風と銀河間媒体の自己一貫性のある結合を有する3次元磁気流体力学（MHD）シミュレーションを用いてハリオスフェアをモデル化した。
• ハリオスフィアの外層における中性水素原子と陽子との間の電荷交換を組み込み、イオン化ダイナミクスをモデル化した。
• 密度が約3000 cm⁻³、低温であるローカル・レオ・コールド・クラウドを代表的な銀河間環境として用いた。
• ハリオスフェアの境界（ハリオパウゼ）の変化と、地球の軌道（0.22 AU）との相対的な収縮を追跡した。
• 太陽系が雲を通過する間のハリオスフェア構造の時間的変化をシミュレートした。
• 既知の銀河間媒体の性質と、地球の地質的記録から得られる同位体データとを比較して、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽系がローカル・レオ・クラウドのような密度の高い冷たい雲を通過した場合、ハリオスフェアのサイズはどのように変化するだろうか？
• RQ2 このようなハリオスフェアの収縮期に、地球が受ける中性水素密度はどの程度になるだろうか？
• RQ3 この結果として生じる銀河間粒子フラックスの増加が、地球の大気や気候に影響を及ぼした可能性は何か？
• RQ4 シミュレートされたハリオスフェア反応と、⁶⁰Feおよび²⁴⁴Pu同位体の地質的記録との整合性はいかがなものか？
• RQ5 このような出来事が、特に人類の進化に及ぼす影響は何か？

主な発見

• 太陽系が冷たい雲を通過した間、ハリオスフェアは水星の軌道より内側（0.22 AU）まで収縮した。
• 地球は現在の0.1 cm⁻³と比べて顕著に高い、最大で3000 cm⁻³の中性水素密度に長期間さらされた。
• シミュレーションにより、電荷交換プロセスがハリオスフェア境界および粒子輸送を制御する上で重要な役割を果たしたことが示された。
• ハリオスフェアの収縮により、ギャラクティック宇宙線からの遮断効果が低下し、上層大気におけるイオン化が増加した。
• この出来事の時期は、⁶⁰Feおよび²⁴⁴Puの同位体異常を示す地質的証拠と一致しており、過去の銀河間接触の仮説を支持する。
• これらの結果は、銀河間雲通過と、約200万年前に地球で観察された気候的・進化的な変動との間に、潜在的な関連性がある可能性を示唆している。