GEOLÓGIA ASZTROFIZIKA


DETRE CSABA–TÓTH IMRE

Mi történt a perm–triász határon?


Lehetséges közeli szupernóvarobbanás nyomai a szferulákban

A geológia és az élôvilág evolúciójának több jelentôs eseménye idôben szoros korrelációt mutat: egyfelôl például a nagy lemeztektonikai mozgások, hegységek képzôdése, megerôsödô vulkáni tevékenység, paleomágneses aktivitás, másfelôl pedig az élôvilágban egyes fajok eltûnése és újak megjelenése. Természetesen nem minden evolúciós esemény kapcsolható ezekhez, de feltûnôen sok. A geológiai korszakok határait elsôsorban az ôslénytan segített kijelölni: az új fajok megjelenése egy új korszak kezdetét jelenti, miközben a régebbi, eltûnô, kihalófélben lévô fajok még csökkenô mértékben, de jelen lehetnek. Legfeltûnôbb a régi vezérkövületek eltûnése és az újak megjelenése. A Föld története során számos fajkipusztulással együtt járó katasztrófa tizedelte meg az élôvilágot. Jelenlegi ismereteink szerint több, az élôvilágban bekövetkezett nagy fajpusztulás, geológiai korszakváltás kozmikus eredetû katasztrófaeseménnyel kapcsolható össze. A szóba jöhetô kozmikus okok közül legismertebb az égitestek összeütközésének következménye: vagy az égi törmelékek kisbolygó-, nagyobb meteor, illetve üstökösmag-törmelék formájában, vagy eredeti teljes nagyságukban nagy sebességgel ütköznek bolygónkkal, és többnyire becsapódási krátereket, hatalmas légköri és tektonikus lökéshullámokat keltenek. Mindezek mellett a topográfiai és a klimatikus környezetben is jelentôs változásokat hoznak létre. Ma már igazoltnak látszik, hogy 65 millió éve a kréta és a harmadidôszak határán (K/T) a feltûnô kihalást, amelynek leglátványosabb epizódja a dinoszauruszok kipusztulása, több kisbolygó vagy üstökösmag becsapódásával együtt járó globális katasztrófa okozta. Akkor szinte kozmikus "pergôtûz" alatt állhatott bolygónk. Az ütközés legismertebb nyoma a Yucatán-félszigetnél részben a szárazföldön a felszín alatt, részben a tenger alatt nyomon követhetô nagy becsapódási kráter (Chicxulub-kráter) ôrzi (I. Természet Világa, 1992/7. 299. o., Tudomány 1990/12. 30. o.). Bizonyítékok vannak arra, hogy az ordovicium és a szilúr idôszakok határán, mintegy 455 millió éve, valamint a felsô devonban a Famenian és a Frasnian emelet határán (F/F határ) mintegy 365 millió évvel ezelôtt szintén több kisbolygó vagy üstökösmag becsapódása okozott jelentôs fajpusztulást. Említésre méltó még az eocén-oligocén korszakváltáskori becsapódási eseménysor, mintegy 33–34 millió éve.

Bolygónk történetében az élôvilágot ért legnagyobb mértékû, legdrámaibb kihívás a felsô perm (270–250 millió évvel ezelôtt) végén, mintegy 250 millió évvel ezelôtt következett be. Ezt jelöli ki a perm–triász geológiai korszakhatár, ami egyben geológiai korváltást is jelent: elválasztja egymástól az óidôt (paleozoikumot) és a középidôt (mezozoikumot). Az addig élt fajok 90–95 százaléka kipusztult, egyesek túlélték, vagy átalakultak az ôskörnyezet titokzatos, drámai megváltozása miatt (Természet Világa, 1992/7. 303., és 1998/3. 109. lap), és merôben új fajok jelentek meg vagy indultak fejlôdésnek, mint például a nagyméretû hüllôk, a dinoszauruszok. A katasztrófa méreteit és mélyreható következményeit jól jellemzi, hogy mind a szárazföldi, mind pedig a tengeri élôvilág is nagymértékben sérült.


A szupernóva feltételezése

A P/T eseménysorozatot a szárazföldi, sôt a tengeri élôvilág nagyfokú tömeges pusztulása, a folyamat csendessége jellemzi. A szibériai platóbazalt-képzôdmény kivételével nem ismerünk más, nagyobb orogén folyamatot, sem pedig kozmikus testek becsapódásával kapcsolatba hozható eseménysort. Ez azt a feltételezést sugallja, hogy valamilyen hosszan tartó, rendkívül erôs sugárzási tér volt jelen (akár nagyfrekvenciájú elektromágneses, akár erôs korpuszkuláris sugárzások). Lehettek mind közvetlen sugárzási pusztító folyamatok, mind pedig a sugárzások által indukált genetikai mutációk is, amelyek kevésbé életképes, illetve pár nélküli egyedeket hoztak létre. Az élôhelyek elvesztése is csökkentette a túlélés esélyeit: pl. a tápláléklánc sérülése miatt nem volt táplálék élôlény. Mindezeken kívül a pusztulás miatti légköri oxigénkoncentráció-csökkenés (szuper-anoxia) lépett fel.

A földi magnetoszféra és a légköri ózonréteg védi a bioszférát az erôs, kozmikus eredetû káros sugárzásoktól (részecske-, illetve ibolyántúli sugárzásoktól). Mi lehet a forrása az ilyen erôs és káros kozmikus sugaraknak, illetve milyen folyamatok gyengíthetik bolygónk védôrendszerét? Ennek a kérdésnek a megválaszolásakor figyelembe kell venni azt, hogy a geológiai mintákban található, porszemcse méretû szferulák elôfordulását is kellôképpen meg kell magyarázni. Azt gondolhatnánk például, hogy központi csillagunk, a Nap extrém nagy aktivitásával együtt járó erôs ibolyántúli és részecskesugárzása idôlegesen megnövekedett a P/T határon. Azonban a Nap egy olyan átlagcsillag, amely akkorra már rég túljutott a "flerezô", ún. T-Tauri fázison, amely a kialakulása után volt rá jellemzô évmilliárdokkal azelôtt. Azonfelül pedig az extrém aktív Nap nehezen magyarázná a szferulák jelenlétét.

Milyen, a Naprendszeren kívüli égi források jöhetnének szóba? Ilyen égi objektumok számbavételekor mindig szem elôtt kell tartani azt a fontos tényt, hogy a nagybolygók pályája a kialakulásuk óta a mai napig stabil, alakjuk igen közel áll a körhöz, a pályasíkok alig térnek el a földpályáétól (a Plútóé is csak 17 fokkal). Tehát nem jöhetett túl közel az objektum, hogy gravitációs hatásával megzavarja a bolygópályákat, extrém elnyúltságot vagy a Naprendszerbôl való elszökést okozva, hiszen ma itt vagyunk, konszolidált évszakokkal. Amennyiben magas hômérsékletû volt az égitest, úgy azért sem lehetett túl közel, mert nincs geológiai nyoma a földkéreg részleges megolvadásának vagy fosszilis erdôtüzeknek, és az élôvilág sem pusztult el végérvényesen a P/T határon.

Lehet-e egy csillagközi porfelhôn való áthaladásnak olyan következménye, mint amilyen a P/T katasztrófa volt? Egy porfelhôn való áthaladáskor a Nap környezetében koncentrálódik a por és szinte eltakarja annak fényét, sajátos jégkorszak alakul ki. Nem szükséges, hogy a sugárzási szint jelentôsen megnövekedjen egy normál csillagközi felhôn való áthaladáskor. A felsô perm idején ellenkezôleg, inkább száraz és meleg volt, legfeljebb enyhe telekkel. Tehát egy normál csillagközi felhô nem okozhatta a P/T eseménysort.

Speciális geometriai helyzetben egy, a Naprendszer közelébe kerülô pulzár sugárkévéjében félgyorsított részecskék, esetleg elektrosztatikusan feltöltött és felgyorsított porszemcsék magyarázhatnák a megnövekedett elektromágneses és részecskesugárzást, valamint a nagy sebességû pornak a földi légkörbe érkezésekor a szferulaképzôdést. Azonban az ilyen pulzár közelsége nehezen elképzelhetô, az pedig még kevésbé valószínû, hogy a P/T eseménnyel kapcsolatban a geológusok által tapasztalt, hosszú ideig elhúzódó kihalások idôtartama alatt is a közelünkben maradt volna a pusztító égi sugárágyú.

1. ábra. Szupernóva eredetû
szferula a Bükk hegységi
Gerennavár perm–triász határ
feltárásából. Kb. 2000-szeres
nagyítás
(Solt Péter mikroszkópi felvétele)

1997-ben fontos elôrelépés történt bizonyos gammakitörésekkel kapcsolatos folyamatokért felelôs objektumok optikai tartományban történô azonosításában. Egy a BeppoSAX gammacsillagászati mesterséges hold által detektált gammakitörés égi pozícióját az optikai tartományban is sikerült behatárolni és azonosítani az objektumot a Hubble-ûrtávcsô segítségével. Azóta több más, ehhez hasonló jelenséget is megfigyeltek, de mindegyiket extragalaktikus távolságban. Kiderült, hogy egy régebben elméleti úton megjósolt folyamat, nevezetesen egy-egy kettôs neutroncsillag egybeolvadása okozza ezeket a gigantikus gammakitöréseket. A folyamat által keltett energia vetekszik egy szupernóvarobbanás energiájával, miközben egy relativisztikus tûzgömb terjed a környezô csillagközi anyagban. Azonban nem feltétlenül kapcsolódik a jelenséghez por képzôdése vagy összesöprése, azaz szferulákat nehezen tud kelteni a folyamat. A jelenleg belátható univerzumban naponta van egy-egy ilyen esemény. Ez azt jelenti például, hogy a szupernóvákénál ritkább jelenségrôl van szó az adott galaxisban, így a mi Tejútrendszerünkben is, ami idôbeli lefolyását és hatását tekintve is rövidebb, mint a szupernóváké. Tehát nem valószínû, hogy neutroncsillagok összeolvadása következtében keletkezett erôs gammasugárzás és csillagközi plazmafelhôvel való találkozás okozta volna a P/T katasztrófát.

Az is elképzelhetô, hogy a Tejútrendszer magja idônként erôs aktivitást mutat a jelenlegi nyugodt állapotához képest amiatt, hogy egy nagy tömegû fekete lyuk van a centrumában, illetôleg egy sûrû csillaghalmaz. Amennyiben a fekete lyuk köré összegyûlt anyag erôsen sugároz, illetve a centrumban lévô sûrû csillaghalmazban van valamilyen erôs kitörés, például szupernóva vagy neutroncsillagpár komponenseinek összeütközése, akkor csak a Naprendszer felé erôsen irányított sugárkéve (jet, beaming) esetén képzelhetô el jelentôsebb hatás a földi élôvilágra, tekintettel arra, hogy a Nap a Galaxis centrumától elég nagy, mintegy 25 ezer fényév távolságra van ahhoz, hogy egy, a centrumban történt folyamat jelentôs energiafluxust eredményezzen a Naprendszer térségében. Ma megfigyelhetô ugyan a galaxis centruma közelében egy kifelé expandáló kar, ami a centrum vidékének aktivitására utal, de korántsem olyan erôs a mi csíllagvárosunk magjának aktivitása, mint a klasszikus aktív galaxisoké. A szferulákat eredményezô porkoncentráció hiánya, valamint az irányított sugárzású jelenség ritkasága miatt problematikus a galaxis centrumának aktivitásával magyarázni a P/T eseménysort.

A csillagközi eredetû szferulákat, valamint a hosszan tartó erôs sugárzási folyamatokat leginkább egy közeli szupernóvarobbanással lehet magyarázni. A P/T mértékû pusztulást elôidézô szupernóvának legalább 30 fényévre meg kellett közelítenie a Naprendszert, hogy sugárzásával, valamint a csillagközi gáz és por felgyorsításával a megfelelô hatást tudja kifejteni. Túl közel sem lehetett az esemény égi mechanikai okokból, valamint azért sem, mert nem okozott jelentôs hômérsékletemelkedést a Föld légkörében, illetve felszínén. Ma már nem azonosítható az égbolton az a szupernóvamaradvány vagy neutroncsillag (speciális geometriai viszonyok mellett a pulzár), amely a feltételezett P/T szupernóva reliktuma lenne. Ugyanis a Tejútrendszerben végbemenô dinamikai mozgások miatt egy adott tartományban, nevezetesen a Nap pályája mentén a gravitációs perturbációk miatt mintegy 100 millió éves idôskálán eltorzul, szétnyíródik az eredeti konfiguráció, így az adott szupernóvamaradvány is jelentôs távolságra és más pozícióba került azóta hozzánk képest.

Nem minden csillag válhat szupernóvává. Az Ia típusú szupernóva úgy alakul ki, hogy egy kettôs csillag fehér törpe komponense túlzott mértékben összegyûjti a kettôs rendszerben lévô circumstelláris anyagot (akkréció), és az így "feljavított, felhízott" fehér törpe sugárzási-gravitációs egyensúlya megbomlik és hirtelen robbanással I-es típusú szupernóvává válik. A fehér törpék tömege ugyanis jól behatárolt az 1 naptömeg körül, és ha legalább még plusz egy naptömeggel megnövekszik a tömegük, akkor ez kataklizmát eredményez. Tehát az I-es típusú szupernóvák kialakulása fôként egy konfigurációs helyzettel, a kettôsséggel függ össze. A II-es típusú szupernóvák csak nagy tömegû idôs csillagok közül kerülhetnek ki, klasszikusan a csillagfejlôdés végállapotaként. Ez tehát evolúciós jelenség, a csillag elöregszik, legfeljebb néhány tíz- vagy százmillió év alatt. Mai ismereteink szerint és a modellszámítások alapján legalább 5–8 naptömeg szükséges ahhoz, hogy fel is tudjon robbanni szupernóvaként a csillag.

Elegendôen gyakoriak-e a szupernóvák ahhoz, hogy a Naprendszer közelében a P/T eseménysort elôidézzék? Ennek a kérdésnek a megválaszolásához minél több megfigyelés szükséges. Az extragalaktikus szupernóvakeresési programban az MTA Csillagászati Kutató Intézete jelentôs eredményeket ért el, hozzájárulva gyakoriságuk, statisztikus tulajdonságaik megállapításához. Hazánkban az 1960-as évek eleje óta több mint 45 szupernóvát sikerült felfedezni, a legtöbbet Lovas Miklósnak. A mi galaxisunkban fellobbant, illetve más spirális galaxisokban talált szupernóvák és maradványaik megfigyelésébôl az elôfordulásuk gyakoriságára becslést lehet adni: a Nap körüli 1500 fényév sugarú gömbön belül mintegy egymillió évenként van egy szupernóva, de a földi élôvilágra veszélyesek (30 fényév távolságon belüliek) csak néhány száz millió évenként fordulnak elô. A megfigyelések alapján úgy tûnik, hogy a II-es típusú szupernóvák kissé gyakoribbak. Elôre megjósolni azt, hogy melyik csillag válhat szupernóvává a környezetünkben, csak a tömegük és evolúciós állapotuk (koruk) ismerete alapján lehet. Ezek szerint elsôsorban a II. típusú szupernóvákat lehet prediktálni a nagy tömegû és idôs korú prekurzor csillag miatt. Az I-es típusúakat nehezebb, mert nem tudni, hogy a fehér törpe mikor fog kellôen "meghízni", és ebben a konfiguráció a döntô tényezô. Ma úgy tûnik, hogy a Betelgeuze (Orion alfája) potenciális jelölt egy II-es típusú szupernóvára, de biztonságos távolságban lesz több tízmillió év múlva is. Egyelôre nem ismerünk a Nap közelében olyan csillagot, amely belátható idôn belül I-es szupernóvává válna, de egy fehér törpét tartalmazó kettôs rendszerben ez elôfordulhat.

A közeli szupernóvák lehetséges földi hatásait már többen is részletesen tárgyalták, mind a nagyon közeli katasztrofális eseménysort kiváltó mintegy 30 fényéven belüli, mind pedig a távolabbi, csak a geológiai mintákban nyomokban kimutathatóakét (1500 fényéven belüliek): többek között Sklovszkíj, Aikin, Brakenridge, legutóbb pedig Ellis és Schramm. Trimble, valamint Woosley és Weaver szerint a szupernóvakitörés a teljes elektromágneses tartományban is megfigyelhetô több hónapig, ezalatt elérheti a 109-szeres napfényességet. Közel 1049 erg elektromágneses energiát sugároz ki, miközben mintegy 1051 erg mechanikai energiát ad át a kiinduló lökéshullámnak (blast-wave) és kb. 1053 erg energia lép ki neutrínók formájában. Az elektromágneses sugárzás maximuma a nagyfrekvenciáknál van a gamma-, és a röntgentartományban. Azonkívül a környezô csillagközi anyag és a szupernóva lökéshullámfront találkozásakor hosszú ideig a szupernóvamaradvány héja is sugároz, gammától a rádiótartományig, valamint részecskesugárzással is.

Egy 30 fényéven belül a Naprendszer közelében felrobbanó szupernóva földi hatásai vázlatosan a következôk lehetnek:

1. Neutrínó- és gravitációs hullámok indulnak ki azonnal a szupernóva csillag (mag) kollapszusa után.

2. Optikai és ibolyántúli ta tartományban kifényesedés a mag kollapszusa után néhány órával. (Felszálló ág a fénygörbén, majd fényességmaximum 1 napon belül, a vasnál nehezebb elemek felépülése a szupernóva környezetében.) A földi ózonréteg idôlegesen megerôsödik az UV-sugárzás hatására.

3. Néhány hónap múlva a kollapszus után: pusztító erôs gamma- és röntgensugárzás érkezik. A gammasugárzás elsôsorban a szupernóvarobbanás következtében felépült radioaktív magok általi neutronbefogási folyamatokban keletkezik. A gammasugárzás sokkal hatásosabban rombolja a légköri ózont, mint ahogyan azt az UV-sugarak felépítik. Rendkívüli és további pusztító hatású kémiai reakciók indulnak meg a légkörben: pl. nitrogén-oxidok keletkeznek, amelyek még tovább rombolják az ózonréteget. Az ózonréteg leépül.

4. Egy évvel a kollapszus után: a legnagyobb sebességû korpuszkuláris sugárzás megérkezik. Ez az ózonréteget teljesen lerombolja. A nehéz, nagy energiájú protonok, más atommagok és nagyon gyors elektronok további atmoszferikus kémiai átalakulásokat okoznak, és szinte akadálytalanul elérik a földfelszínt. Tehát az erôs primér kozmikus sugárzás le tud hatolni a felszínig és ott rombol (pusztít, mutációkat kelt). Közben az erôs UV-sugárzás is képes lehatolni a felszínig és a vízi élôhelyekig az ózonernyô hiánya következtében.

5. Ezer – néhány ezer év múlva: a Naprendszerhez közeli szupernóvamaradvány táguló plazma- és porfelhôje eléri a helioszférát, és a táguló:csillagkôzi plazma a napszelet a földpályán belülre nyomja. Normális esetben az erôs helioszferikus plazma és a vele kapcsolatos mágneses tér dominál a galaktikus kozmikus sugárzáshoz képest. Ezen kívül a napszél segít erôsíteni a földmágneses teret, kialakítva például a mágneses csóvát, a földi mágneses tér pedig megvéd a kozmikus sugárzás elektromosan töltött részecskéitôl. A mágneses védôpajzs gyengülése miatt a töltött részecskék még hosszú ideig elérik a légkört és a felszínt. A csillagközi por, illetve a szupernóvahéjban kikondenzálódott por nagy sebességgel belépve a földi légkörbe szferulákat képez, amelyek leülepednek a felszínen és a tengerfenéken. Egyébként nagy sebességû csillagközi porszemcséket a Galileo és az Ulysses ûrszondák is detektáltak, ugyanis nemcsak szupernóvák, hanem más csillagok légkörében is keletkezik por. Földi meteorészlelô radarral is kimutattak csillagközi eredetû mikrometeorokat. A közeli szupernóva lökéshullámának nagy mechanikai energiája a csillagközi anyagot összenyomja, és ennek következtében további sugárzási zónák jönnek létre. (Másodlagos hatása a szupernóváknak, hogy a csillagközi anyag összetömörítésével bizonyos típusú új csillagok kialakulását segítik elô; a Naprendszer kialakulása elôtt is legalább egy szupernóva szórta tele a vasnál nehezebb elemekkel bolygórendszerünk ôsködét.)

6. Százezer – millió évek múlva: látható változások az élôvilágban. Mutációk, tömeges kipusztulások: szárazföldi állatok és növények, sekély- és mélytengeri biomassza, anoxia. Új fajok elsô példányainak megjelenése, a légkör eredeti kémiai koncentrációjának helyreállása, az anoxia eltûnése.

A címlapkép egyik részlete

A Nap környezetében 1500 fényéven belül felrobbant szupernóva geológiai mintákban megfigyelhetô következménye a megnövekedett gammasugárzás által létrehozott C-14 izotópanomália, valamint a nitrogén-oxidok feldúsulása az üledékekben (NO, NO2 N03). Ugyanis a molekuláris nitrogén (N2) elektronionizációja lehetôvé teszi nitrogén-oxidok képzôdését. Ezek a hatások idôben hozzánk közelebbi, de legalább 500 fényévre felvillant szupernóvák földi szedimentológiai következményeiben kimutathatók. Például Brakenridge a világ különbözô helyeirôl származó mintákból kimutatta a mintegy 10–11 ezer évvel ezelôtt, a késô-negyedidôszakban a Naprendszertôl 1500 fényévre felrobbant Vela szupernóva (címlapképünk) földi hatásait a C-14 és nitrogénanomáliák alapján. Ellis és Schramm az antarktiszi mintákban kimutatta a mintegy 340 ezer éve a Gemini (Ikrek) csillagképben felrobbant, tôlünk kb. 510 fényévre lévô Geminga szupernóva földi elem- és izotópnyomait. Sklovszkíj szerint a rádiócsillagászatilag megfigyelhetô Nagy Északi Rádióív egy több tízezer évvel ezelôtt – kb. a cro-magnon-i ember idején – felrobbant szupernóva maradványa az égbolton, de olyan messze volt a robbanás, hogy nem volt káros hatása a Földön. A Naprendszer és ez a csillagközi gáz-por nyúlvány mintegy tízezer év múlva fog találkozni, de semmi káros következménye nem lesz az élôvilágra, legfeljebb csak a primer kozmikus sugárzás növekszik valamelyest a bolygóközi térben.

Következô rész


Természet Világa, 129. évf. 6. sz. 1998. július, 290–294. o.
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/TermVil/


Vissza a tartalomjegyzékhez