KÖZELI SZUPERNÓVA-ROBBANÁSOK FÖLDTÖRTÉNETI HATÁSAI

Detre Csaba
Magyar Állami Földtani Intézet
Tóth Imre
MTA Csillagászati Kutató Intézet

Az élővilág nagy krízisei és a geológia

A földi geológiai és őslénytani leletek arról vallanak, hogy különösen a prekambrium korszaktól kezdve, azaz mintegy 600 millió éve, a biodiverzitás, azaz az élővilág formagazdagságának, sokszínűségének, sokféleségének szinte exponenciális előtörését nagymértékű tömeges és globális kiterjedésű faj-kipusztulások tördelik meg. Ezek a tömeges faj-eltűnések idősora felülmúlja a hasonló kisebb természetes kipusztulási események általános zajjellegű hátterét.

A geológiai időskála megállapításához, a geocronológiához a geológiai mintákban található kövületek, fosszíliák alapvetően fontosak a kőzettani litológiai ismérvek időbeli változásainak nyomonkövetése mellett, azaz a fosszíliákat beágyazó és környező kőzetek és üledékek korának és elhelyezkedésének vizsgálatán kívül. A kőzettani rétegződés a litosztratigráfia, illetve a fosszilis élőlények rétegsorának tanulmányozása, a biosztratigráfia, együttesen jelölik ki a geológiai időskálát. A geológiai időmeghatározások hibahatára a két időskála eltéréséből adódhat: nem feltétlenül esik egybe a litológiai és a biosztratigráfiai időskála, a relatív hiba mintegy néhány százalék. Ugyanis a geológiai korszakok határát elsősorban és meghatározóan az őslénytan (paleontológia) segít kijelölni: az új fajok megjelenése egyben egy új korszak kezdetét jelenti, de a régebbi, eltűnő-félben lévő fajok még csökkenő mértékben, de jelen lehetnek. Legfeltűnőbb a régi vezérkövületek eltűnése és az újak megjelenése. Könnyebb élesebb határt megjelölni az új fajok megjelenésének kimutatásával, és még így is a kőzettani és a biofosszília időeltérése 1-2 millió év is lehet százmillió év távlatában. Természetesen a radioaktív elemek vizsgáltával, az izotópos kormeghatározással a radiokronológia nagy segítséget adhat, de csak kevés olyan radioaktív elem van, amelynek az izotópjai hosszú az élettartamúak és alkalmasak kormeghatározásra többszáz millió éves időskálán (ilyenek például ólom-ólom, kálium-argon módszerek).

A geológiai korszakváltások legtöbbje a korábbi élővilág nagymértékű kipusztulásával és új élőlények megjelenésével kapcsolatos. A geológiai események és az élővilág több jelentős eseménye szoros időbeli korreláci6t mutat: egyfelől például a nagy lemeztektonikai mozgások, hegységek képződése, megerősödő vulkáni tevékenység, paleomágneses aktivitás, a paleoklíma megváltozása, másfelől pedig az élővilágban egyes fajok eltűnése és újak megjelenése. Jelenlegi ismereteink szerint több nagy fajpusztulás, illetve geológiai korszakhatár időben a kihalásokhoz és korszakváltásokhoz közeli kozmikus indíttatású eseményekkel. kapcsolatos, mint például a közismert kréta-tercier (K/T) határ. Ma már igazoltnak látszik, hogy 65 millió éve a feltűnő kihalást, amelynek leglátványosabb epizódja a dinoszauruszok kipusztulása; több kisbolygó vagy üstökösmag becsapódásával együttjáró globális katasztrófa okozta.

Természetesen nem minden geológiai korszakváltáshoz kapcsolódnak ilyen események. Vannak ugyanis olyan nagy faj-kipusztulási események, amelyekhez nem kötődik a Föld belső erőivel kapcsolatos (orogenetikus) folyamat, sem pedig kozmikus testek becsapódása, hanem valahogy rejtélyes, titokzatos módon, csendben óriási mértékű, szinte minden élőhelyet érintő élőlény kipusztulás történt, és valamilyen kozmikus eredetű ok, de nem becsapódási katasztrófa következtében.

A legnagyobb biológiai katasztrófasorozat a felső permben

A perm és triász geológiai korszakok határa a régi és teljesen új élővilág elválasztó határa is egyben, eltekintve néhány archaikus faj túlélésétől. Ez a perm-triász határ (P/T), amely az új, a triász legelején létrejött élőlények első megjelenése alapján lehet datálni, de maga az a globális krízis, amely az óidő élővilágát csaknem teljesen elpusztította mintegy húsz millió évig tartó borzalmas pusztulás. A földi biomassza ezen szörnyű pusztulását időről időre megújulások, reneszánszok megkísérlik megszakítani az élővilág megújulásával "feléledésekkel", de ezeket a szakaszokat újra meg újra valami titokzatos folyamat megállítja és ismételten lesújtva elpusztítja az élőlények legtöbbjét. A P/T határ megjelölés helyett tehát jobban leírja az eseményeket a késő- vagy felső permi vagy a perm-végi átmeneti időszak megnevezés, amelynek vége a tulajdonképpeni jól ismert P/T geológiai, illetve biosztratigráfiai határ, amely után az alsó vagy korai triászban már az új fajok vannak jelen és a bioszféra kezd regenerálódni. A triászban megjelentek, a jurában és a krétában pedig uralkodtak az addiginál is félelmetesebb szárazföldi és tengeri ragadozó, illetve a kis és nagytestű növényevő dinoszauruszok. A földtörténeti óidőt és középidőt, a paleozoikumot és mezozoikumot is elválasztja ez a határ.

E sorok egyik írója, (D.Cs.) így emlékszik vissza a P/T problémával való első találkozására:

"Otto Schindenwolf, jeles tübingeni paleontológus professzor 1970-ben, ottjártamkor arra a kérdésemre, hogy mi okozhatta az élővilág perm-végi óriási mértékű kipusztulását, amikor a fajok több mint 90 %-a tűnt el, széttárta karjait s azt mondta: csak egészen fantasztikus magyarázatot tudok adni, mint például egy szupernóvarobbanást. Ez akkor nyilvánvalóan modus phantasticusban tett kijelentés volt, amit azonban napjainkban nagyon is meg kell fontolni, mert számos érv sorakozott fel mellette. "

Amennyiben ez a sejtés igaz, akkor a felső-permben nyilvánvalóan a földi élővilágra globálisan és katasztrofális mértékben kiható kozmikus eseménysorról lehetett szó.

Közeli szupernóvák

Fussuk át gyorsan, hogy tulajdonképpen miről is van szó. Mintegy 170 éve ismeretes a földtörténet azon eseménye, a földtörténeti ókor és középkor átmenete (rossz kifejezéssel élve "határ"-eseménye), amely az elővilág legnagyobb krízise volt, s csaknem kipusztult ekkor a bioszféra. A fajok óriási hányadán kívül, magasabb rendű taxonok, osztályok, sőt, törzsek pusztulnak ki. A kipusztulásra több mint kétszáz elmélet jött létre, de mindegyik valahol rövidzárlatosnak bizonyult, főleg azért, mert valamennyi az okot a Földre vagy a Földbe helyezte, de itt nem volt megfelelő érvrendszer ezen elméletek mellett. Ugyanis, a perm időszak vége a földtörténet egyik legnyugalmasabb időszaka, nincsenek nagy orogén mozgások, a szibériai platóbazaltok feltörésén kívül nincs jelentősebb vulkanizmus, nincs nyoma nagyobb égitest, óriásmeteorit, üstökösmag vagy kisbolygó becsapódásának, mint például ami a nevezetes kréta-tercier (K/T) "határeseményt" létrehozta. Az eddigi irodalom jórésze is "perm-triász határeseményt" említ, noha a krízis a perm időszak kései, geológiai kifejezéssel élve "felső" szakaszában történt. A hagyományos értelemben vett "perm-triász" határ, már a reneszánsz, az a momentum, amikor az elővilág már kiheverte a krízist, s megkezdődik egy új, nagyon másjellegű élővilág kibontakozása. A krízis körülbelül 20 millió évig tartott, mintegy 250 millió évvel ezelőtt kezdődött, s 230 millió éve fejeződött be. Először, a krízis első fázisaként a szárazföldi növények elsöprő többsége (például az óriás páfrányok) és a tengeri plankton lények, ahol a pusztulás teljes (például sugárállatkák, a radiolariák) tűnnek el. A pusztulási folyamat elhúzódó és "csendes, alattomos" jellege azt sugallja, hogy ezek a lények teljesen védtelenek voltak feltehetően a megnövekedett nagyfrekvenciájú elektromágneses részecskesugárzással szemben. Fokozatos, több millió éves pusztulási folyamat mutatható ki az úgynevezett "szesszilis bentosz" (tengeraljzathoz rögzült) alakok között, ekkor gyakorlatilag kihal a brachiopoda ("pörgekarúak") törzs, s olyan jellegzetesen a földtörténeti ókorra jellemző osztályok tűnnek el, mint a trilobiták (háromkaréjos ősrákok), a tabulaták (tipikus paleozoikumi állatcsoport: rendszertani helyük vitatott, vagy a korallok egyik osztálya, vagy a csalánozók törzsének külön osztálya, de van olyan megfontolás is, amely szerint önálló törzs), valamint több crinoidea (tengeri liliom) osztály. A sort hosszan folytathatnánk. A táplálékláncban a szárazföldi növények, a tengeri planktonok, valamint a szesszilis bentosz lények óriási pusztulása beláthatatlan és nehezen felderíthető dominó-effektusokat indítottak el, amelyek nyilvánvalóan további pusztulásokhoz vezettek. A fentiekkel szemben viszont az úgynevezett "nekton", azaz úszó életmódot folytató lények esetében a pusztulás sokkalta csekélyebb, például a halak esetében alig érzékelhető. Nyilvánvalóan ezeknek a lényeknek lehetőségük volt a mélyebb vizekbe való bemenekülésre, ahol jó védelmet élvezhettek a sugárözönnel szemben. A felső-perm jellegzetes jelensége a "C izotópnak a földtörténet során soha nem tapasztalt feldúsulása, valamint a légkör oxigén-tartalmának körülbelül 35 %-ról 10-12 %-ra lezuhanása, az úgynevezett "permvégi szuperanoxia". Mindkét jelenség már mintegy 20 éve ismert, s voltak olyan nézetek, melyek szerint éppen ezek okozták a pusztulást. Azonban megfelelő okokat a kutatók nem találtak e tények okául. Ha viszont az ok-okozati összefüggést felcseréljük, vagyis a szuperanoxiát a kipusztult biomassza okozataként értelmezzük, ez bőségesen elégséges érv ezek létrejöttéhez. (Röviden: a rothadó biomassza óriási mennyiségű oxigént vont ki a légkörből és a tengerekből.) A fajok több mint 90 %-ának kipusztulása a biomassza ilyen mértékű kipusztulását kellett magával vonnia. A felsőpermnek világszerte jellegzetes kőzetei az igen magas szervesanyag tartalmú üledékes kőzetek, amelyek szervesanyag tartalma a bomló bioszférából ered. (Lásd: a Bükk hegységben a Nagyvisnyó falu közelében található fekete, bitumenes mészkő feltárásokat.) A felső-perm elején olyan hatalmas mértékű pusztulás érte a bioszférát, amelyet máig sem hevert ki, s a kalkulációk, bár erősen szórnak, a mai biomassza tömege töredéke a 250 millió évvel ezelőttinek. A mai légkör 21 %-os O₂ tartalma még azt is jelzi, hogy ez az érték messze van a 250 millió évvel ezelőtti 35 %-tól. A bioszféra fénykora, legnagyobb elterjedése a felső-karbon - alsó-perm időkben, mintegy 300-250 millió évvel ezelőtt lehetett, a bioszféra tömege, formagazdagsága ekkor volt a legnagyobb. Biztosra vehető azonban, hogy a felső-perm elején bekövetkezett szupernóva-robbanás okozta pusztítás, feltétele volt azoknak az evolúciódinamikai folyamatoknak, amelyek magasabb rendű előlényekhez, mindenekelőtt az ember kifejlődéséhez vezettek. A felső-karbon, alsó-perm során felhalmozódott kőszénkészletek tömege sokszorosa a mai produktív biomassza tömegnek. (A kvantifikáció itt is szór, de a jelentős tömegkülönbség egyértelmű.) A triász időszaktól kezdve a karbonátos kőzetek részaránya a litoszférában ugrásszerűen megnövekszik, itt hozzávetőlegesen egy nagyságrend a növekedés. Jó magyarázatnak tűnik az, hogy a megelőzően a biomasszában felhalmozódott C-tömeg az élettelen litoszférában halmozódott fel. Az International Geological Correlation Programme (IGCP) 384 számú, az "Impact and Extraterrestrial Spherules: New Tools for Global Correlation" projektjében 41 ország kutatói vesznek részt, s magyar vezetés (Detre Cs.) alatt áll. Eddigi legérdekesebb eredménye az, hogy sikerült a Föld sok permvégi kőzetében megtalálni azokat a mintegy 3-20 mikron átmérőjű gömbalakú részecskéket (szferulákat), amelyek főleg vasból állnak (több mint 90 %), s néhány százalék nikkelt, titánt, szilíciumot tartalmaznak. Ezek mérete, elemi összetétele minden lelőhelyen rendkívül hasonló. Lelőhelyek: Magyarország (Bükk hegység), Japán, Dél-Kína, Közép-Ázsia több lelőhelye, Dél-Afrika, Kanada, Antarktisz, ez utóbbira mi magyarok nagyon büszkék vagyunk, mert ausztrál gyűjtésű kőzetmintákban a Magyar Állami Földtani Intézet geológusai találtak meg a szferulákat. Bár, még egyértelmű etalon nem áll rendelkezésre arra vonatkozóan, hogy pontosan milyenek lehetnek egy szupernóva által szétszórt részecskék, az eddigi vizsgálatok azt igazolják, hogy nagyon hasonlatosnak kell lennie azokhoz, mint amilyeneket az IGCP 384 projekt kutatásai során a világ számos felső-perm rétegében találtunk (ábra). E nagyon apró részecskék analízise rendkívül bonyolult, elemi összetételük vizsgálata a világon a debreceni ATOMKI kutatóinak, Kiss Árpád Zoltánnak, Uzonyi Imrének valamint Japánban az Osakai Városi Egyetemen Shigeyoshi Mionónak sikerült. Az IGCP 384 Budapesten, szeptember 28. és október 2 között tartott 1998-as konferenciája a perm-végi szferulák vizsgálatát a projekt kiemelt feladatnak deklarálta, s a közeli időkben a világ számos intézményében, így a NASA-ban, vagy a francia CRNS-ben nagy erőbevetésekre lesz lehetőség. Itt kiemelkedő célkitűzésnek tekintjük az izotópvizsgálatokat, amelyek az objektumok kicsinysége (mérete és tömege) miatt jelenleg nem megoldhatók.

Csillagközi por szferulák a felső-permből a világon minden ilyen geológiai rétegekben megtalálhatók, szerkezetük és kémiai összetételük azonos, lásd 1., 2. számú Japánból származókat, illetve a címképen szereplő, valamint a 3. számút a Bükk hegységből. Alul: Eurázsiai felső-perm - alsó-triász geológiai szelvények.

A perm-végi geológiai rétegekben található csillagközi eredetű szferulák jól alátámasztják egy közeli szupernóva-robbanás lökéshullámfrontja által összesepert csillagközi por jelenlétét, legalábbis annak mikron méretű szemcséit, amelyek túlélhették a földi légkörbe való behatolást és leülepedtek a felső-permi talajba vagy tengerfenékbe. Megemlítjük, hogy Ruderman és Truran egy régebbi elgondolása szerint lehetséges az is, hogy egy közeli szupernóva lökésfrontja a Holdfelszín porából "lefúj" valamennyit, ez eléri a Földet és ez ülepszik le a geológiai rétegekben, azonban a mi esetünkben csillagközi eredetű szferulákról van szó. A permvégi krízis alapjában véve őslénytani (mikro- és makrofosszíliák, biomassza, szuperanoxia) vizsgálatok alapján követhető nyomon és ezekből vetődött fel a közeli szupernóva-robbanás, mint kézenfekvő magyarázat, s a csillagközi por-szferulák, mint adalék jönnek be a képbe. Tény az, hogy a perm-triász átmenet nagy kihalásainak szupernóva magyarázata jelenleg lényegében nem falzifikálható (cáfolható), ami nagyon jó státus egy tudományos elmélet számára.

Miért épp egy közeli szupernóva és nem más kozmikus ok?

Egyáltalán milyen kozmikus eredetű hatások jöhetnek szóba a felső-perm idején végbement földi katasztrófa magyarázatára? Először is nem lehetett szó kisbolygók vagy üstökösmagok becsapódásáról. A következőket szem előtt kell tartani a további lehetséges magyarázatok számbavételekor: a permben végül is az élet számára kellemes volt a klíma, nem volt jégkorszak, nem olvadt meg a földkéreg, tehát nem érte túl erős a sugárzási tér (például hősokk egy túlságosan is közeli szupernóvától), nem voltak erdőtüzek, nincsenek úgynevezett fosszilis erdőtűz-nyomok a geológiai rétegekben a felső-permből. A karbonban és a permben is szinte "burjánzott" bolygónkon az élet: például a négyzetkilométerenkénti biomassza tömeg akkor volt a legnagyobb valamint a légköri oxigén-koncentráció is, és ezt szakította meg valami globális kiterjedésű katasztrófa, aminek előidézéséhez pusztán földi okok kevésnek bizonyulnak. Az élővilág nem teljesen pusztult ki, volt esély az evolúció folytatására. Ez a kozmikus esemény távolságára ad korlátot: nem lehetett túl közel egy erős sugárforrás, vagy nem volt túl erős az "overkillhez". Számot kell adni a magyarázatnak a csillagközi eredetű porszemcsék (szferulák) késő-permi jelenlétéről is.

A Nap a perm idejére már réges-régen túl volt a keletkezése utáni flerezési úgynevezett T Tauri típusú változócsillag fázison. A Napnak elvileg lehetséges időlegesen nagy energiájú kitöréseket (flereket) produkáló aktivitása, de kérdés, hogy annyi ideig tudott-e tartani meg-megismétlődve, mint amilyen hosszú ideig a késő-permi krízis tartott. Továbbá a napkitörések nem magyarázzák a csillagközi eredetű szferulákat, legfeljebb csak a bolygóközi por összeseprését és Földre jutását.

Áthaladhatott-e a Naprendszer egy sűrű csillagközi gáz- és porfelhőn, aminek jégkorszak lett volna a következménye? Ez ugyanis magyarázhatná a szferulákat és a folyamatok hádészi "csendességét", de nem volt akkoriban jégkorszak, és az is kérdéses, hogy egy jégkorszak tudott volna-e rekordmértékű globális kipusztulást okozni.

Akkor valamilyen gigantikus elektromágneses és részecske sugárforrás jöhetne szóba: a Galaxis magjának rendkívüli aktivitása, összeolvadó kettős neutroncsillagok által keltett -kitörések (GRB-k) és a csillagközi anyagban terjedő relativisztikus tűzgömb, szupernóvák különböző típusai és a szupernóva-maradványok, mint kozmikus részecske- és röntgenforrások, közeli speciális neutroncsillagok kérge által felerősödött gigantikus mágneses térben (10¹⁵ gauss, ezek a magnetárok) felgyorsított részecskék, közeli, speciálisan a Föld felé irányított kévéjű pulzárok; ez utóbbiak létrejöttéhez speciális geometriai helyzet kell, ha létre is jön, a Nap és a túl közeli pulzár galaktikus mozgása miatt rövid idő alatt meg is szűnik. A GRB-k igen ritka események: statisztikusan mintegy 1-10 ilyen -kitörés van naponta az egész ma ismert Univerzumban, és például a szupernóvák gyakorisága ennél jóval nagyobb.

A felső-permi lassú, ismétlődő "csapásokkal" és csillagközi szferulákkal is járó, de a földi életet nem teljesen elpusztító esemény egy, a Naptól mintegy 10 parszekre fellobbant közeli szupernóva és az általa összesepert csillagközi anyag és sugárzási tér (szupernóvamaradvány) földi hatásai okozhatták. (Túl közel és túl távol sem lehetett, különböző szerzők megegyeznek a körülbelül 10 parszekes veszélyzónában.) A kitörés a klasszikus perm-triász határhoz képest mintegy húsz millió évvel korábban következhetett be a geológiai, paleontológiai és biosztratigráfiai leletek alapján. A Nap mintegy 500 parszek sugarú környezetében statisztikusan mintegy millió évenként van egy szupernóva-esemény, 10 parszekes sugarú környezetében pedig már csak több százmillió évenként. A Naprendszer mintegy 4,6 milliárd éves története alatt tehát több közeli (10 parszekre lévő) szupernóva-robbanás is bekövetkezhetett (táblázat). A Naprendszer a felső-perm idején akár egy csillagkeletkezési zóna közelében is elhaladhatott, ahol a csillagközi gáz és por sűrűbb volt, sőt esetleg több nagytömegű csillag is létrejöhetett, amelyek közül néhány szupernóvává vált és több millió évre elhúzódó "késleltetett" robbanások követték egymást és ez elhúzódó krízist okozott bolygónkon. A szupernóva vagy több szupernóva is a sugárzásával és a csillagközi anyag mozgatásával a Naprendszert is elérte. Egy szupernóvához kapcsolódó maradványfelhő is okozhatott ismétlődő és hosszasan elhúzódó krízist, például, ha a Naprendszer pályája többször is átmetszette az egyébként szabálytalan vagy szálas szerkezetű és sugárzásokban aktív felhőt. (Bolygónk többször is "megfürdött" a sugárözönben.)

A felső-permben a közelünkben fellobbanhatott szupernóva maradványa (például a neutroncsillag, speciális geometriai helyzetben a pulzár) ma már nem azonosítható az égen, mert a galaktikus mozgások mintegy száz millió éves időskálán szétnyírják, eltorzítják az eredeti galaktikus környezetet a Nap pályája mentén.

A szupernóva által kidobott anyagban a radioaktív bomlásoknak igen jelentős szerepe van a -sugárzás keltésében (a felezési időt jelöli):

A -sugárzás azonnal megjelenik a ⁵⁶Ni bomlás után:

A -sugárzás energiája olyan nagy, hogy a szupernóva-héjnak addig ad át energiát, amíg az optikailag átlátszóvá nem válik a -sugarak számára. A -sugárzás tehát elsősorban radioaktivitás közben keletkezik, s nem magában a szupernóva csillag kollapszusa utáni pillanatokban amikor is inkább ultraibolya sugárzás dominál, de az egész elektromágneses spektrumban történik kisugárzás. Továbbá a pozitronok is energiát adnak a táguló szupernóva-héjnak, ahol annihilálódnak. Amennyiben nincs olyan mágneses tér a héjban, amely csapdában tudná tartani az elektronokat és a pozitronokat, akkor ezek a héjból el tudnak szökni.

Clayton, Colgate és mások, Weaver és mások, valamint Trimble szerint a szupernóva által kidobott anyagban a következő fontos atommag-bomlások játszódnak le:

Ezeket a bomlásokat igazolták a Nagy Magellán Felhőben (tőlünk mintegy 160 ezer fényévre) 1987-ben fellobbant SN 1987A jelű nevezetes szupernóva megfigyelései is. A szupernóva hatása attól is függ, hogy milyen sűrű csillagközi anyagba "robban bele", fel tud-e gázt és port gyorsítani, illetve milyen a mágneses tér, ami részecskékre gyorsítóként működhet. A szupernóva-maradványoknak jelentős szerepe van a kozmikus részecskék gyorsításában, számottevő röntgensugárzás, valamint járulékos -sugárzás keltésében, bár inkább röntgenforrásként fontosak. Amennyiben a helioszférával kölcsönhat egy erős csillagközi lökésfront, akkor a napszelet be tudja nyomni egészen a Földpályán belülre. Ennek következtében a napszélhez kapcsolódó mágneses tér valamint a földi meggyengült mágneses csóva sem védi bolygónkat az elektromosan töltött részecskezáportól. Fékező hatása is van a helioszférának, lecsökkenhet a csillagközi fronttal szállított por mozgási sebessége olyan mértékig, hogy a földi atmoszférában nem ég el, lejuthat a felszínre és szferulaként leülepedik.

Akár közeli szupernóva, akár GRB eredetű erős -sugárzás esetén a következő módon alakul át a felső atmoszféra. Többen is taglalták már egy közeli szupernóvarobbanás lehetséges földi hatásait (például Schindenwolf - mutációk lehetősége, Sklovszkij, Ruderman, Aikin és mások, Brakenridge). A felső, illetve a középső légkörbe behatoló erős -sugárzás a légköri molekuláris nitrogént gerjeszti és gerjesztett nitrogén (N^*) keletkezik:

Az ózonernyő pedig leépül, ugyanis a légköri ózon a következő fiziko-kémiai reakció-séma szerint alakul át miközben nitrogén-oxid keletkezik:

A káros ultraibolya sugárzástól védtelenné válik az atmoszféra, földfelszín és a vizek felső rétege. A keletkezett sok nitrogén-oxid sejtelmes, kísértetiesen sötét barnás vagy bordó színt ad az égboltnak. A nitrogén-oxid és víz savas csapadékot tud képezni, és az a szárazföldre, illetve vizekbe kerülve tudja pusztítatni az élővilágot. A fenti reakciók távolabbi (500 parszeken belüli) "veszélytelen" szupernóváktól eredő -sugárzás esetén is végbemehetnek, aminek intenzitása a Földnél jóval gyengébb, mint a 10 parszekre levő esetén. Szupernóvával kapcsolatos, illetve a szupernóva-maradványban keletkező röntgen, illetve a primér kozmikus sugárzás, ha nem is tud közvetlenül lejutni a felszínig, de az ultraibolya sugárzás az ózonernyő leépülése miatt beözönlik, valamint a szekundér kozmikus sugárzás, illetve indukált kőzet-radioaktivitási háttérsugárzás megnövekszik a felszínen. (A GRB-k - és korpuszkuláris sugárzása közvetlenül le tudna hatolni a felszínig, sőt a tengerekben legalább száz méter mélységig.) Az oxigént termelő növényvilág igen érzékeny a bioszféra állapotváltozásaira, ez pusztul ki elsők közt és a fotoszintézis lecsökkenésével a légkör oxigéntartalma is lecsökken.

Ultraibolya fényre érzékeny rovarok a felső-permből

Nem ismerhetjük pontosan azt, hogy az egyes archaikus élőlények hogyan reagálhattak mintegy 250 millió évvel ezelőtt a különböző sugárzásokra, mennyire voltak ellenállóbbak vagy kevésbé ellenállóak a mai élőlényekhez képest. Az elektromágneses színkép, ultraibolya tartományát illetően egy érdekes felvetést tettek az ELTE Biológiai Fizikai Tanszékén az állatok látásának tanulmányozásával foglalkozó munkacsoport tagjai, Mizera Ferenc és Horváth Gábor, megtudván azt, hogy az IGCP 384 szferula-kutatói közeli szupernóva-robbanással magyarázzák a késő-permi nagy biológiakrízist. Elgondolásukat az IGCP 384 Budapesten megrendezett évi konferenciáján ismertették. Bizonyos ma élő rovarok (hymenoptera, például méhek és sivatagi hangyák, illetve diptera, például legyek) látásában a fényérzékenységüket illetően fennáll az úgynevezett ultraibolya fénypolarizációs paradoxon. Ez azt jelenti, hogy ezek az élőlények azon fotoreceptorai, amelyek az égbolt fényét tájolásra, mint iránytűt használják a fénypolarizáció alapján, jóval érzékenyebbek az ég ultraibolya fényére, mint más rovarfélék. Azonban a mai atmoszférikus körülmények mellett az égbolt fényében az ultraibolya összetevő nem domináns. Hogyan lehet tehát feloldani ezt a látszólagos ellentmondást? Ehhez fontos annak a ténynek az ismerete, hogy ezeknek a rovaroknak az ősei épp a perm legvégén jelentek meg bolygónkon, azaz minden bizonnyal egy olyan környezetben, ahol az ultraibolya sugárzás jelentősen erősebb volt mint jelenleg, és így a kialakuló rovarok látása is az erősebb ultraibolya fényhez alkalmazkodott, a "foto-iránytűik" ehhez a fényhez igazodtak. Ez a feltételezés bizonyos élőlények látására, optikai tájékozódási módszereire adhat magyarázatot, és a felső perm idején bekövetkezett közeli szupernóvarobbanás következtében a Földön megerősödött ultraibolya sugárzás jelenlétét közvetetten is megerősíti (lásd az ózonernyő leépülése). Az ősi élőlények esetében az egyéb biológiai, sugárbiológiai hatásokat illetően - például testfelület, illetve belső szervek roncsolódásai, pusztulások stb. - még keveset vagy semmit sem tudunk, legalábbis a maiakkal való összehasonlítást illetően.

A jövő hasonló kozmikus katasztrófa-helyzetei

A földtörténet tanulmányozása a geológia és az élővilág evolúciója vonatkozásában kozmikus okokból bekövetkezett globális biológiai katasztrófa-helyzetekről ad figyelmeztető üzenetet számunkra és a Földön és esetleg a távoli jövőben a más, kolonializált bolygókon élő értelmes (földi eredetű) élőlények számára a távoli jövőben bekövetkezhető katasztrófa-helyzetekről, veszélyekről. Intő példa lehet erre a földi késő-permi katasztrófa, valamint néhány más feltételezett közeli szupernóva-robbanás is (táblázat).

Valószínűleg közeli szupernóva-robbanás (SN) okozta tömeges kihalások a Földtörténetben

Tekintsük a földi biológiai evolúció előtt álló jövőbeli kihívásokat ebből a szempontból. Mik a jövőben a kilátások hasonló óriási globális természeti katasztrófára a földi élővilágban kozmikus eredetű okokból? Erre nézve meg kell vizsgálni egyfelől a Nap, mint csillag jövőbeli fejlődését, különös tekintettel a rendkívül nagy energiát, legalább TeV vagy még nagyobbakat, produkáló flerkitörések előfordulásának lehetőségét illetően, másfelől pedig a Naprendszer helyzetét és mozgását a Tejútrendszerben, azaz ismereteket szerezni és előrejelzést adni a "Galaktikus időjárás" jövőbeli alakulásáról a Nap mindenkori környezetében.

A standard Nap-modellek végigkövetik a Nap, mint csillag állapotjelzőinek számszerű időbeli alakulását, de nem adnak előrejelzést arról, hogy több százmillió éves időskálán időlegesen kialakulhatnak-e extrém nagy energiájú flerezési időszakok, amelyek sugárzási hatása a Földnél felülmúlhatja a tíz parszekre lévő szupernóvákét is. A Nap ilyen lehetséges aktivitása ma még nyitott kérdés.

A jelenleg ismert kettős neutroncsillagok esetében a várható összeolvadások és a gigantikus -kitörések minden esetben milliárd év múlva következnek be (ezen objektumok jelenlegi távolsága néhány ezer parszek). Nem ismerjük azt, hogy a Tejútrendszer magja aktivizálódhat-e a jövőben, amely tőlünk távoli kitöréseket produkálhat, és ezek csak akkor jelentenének nagyobb gondot, ha valamilyen irányított sugárzás érné a Naprendszert.

A Tejútrendszer spirálkarjain, illetve a fősíkján való áthaladás nem veszélytelen séta bolygórendszerünk számára: Az időben előttünk álló soronkövetkező spirálkar, a Perzeuszkar metszése mintegy 140 millió év múlva következik be. A csillagközi anyag jelentős része a Galaxis fősíkja közelében koncentrálódik, s főleg a spirálkarokban. A Naprendszer külső üstökösfelhőjét, az Oort-felhőt a nagytömegű csillagközi felhők tömegvonzásukkal perturbálják és az eredeti pályájukról letérített üstökösmagok a Naprendszer belső terébe kerülve a Földön becsapódási eseményeket válthatnak ki (kozmikus "pergőtűz", kráterek kialakulása). Más becsapódási események is lehetnek: a földközeli kisbolygók közvetlenül is és a Föld árapály erejétől széttördelve is krátersebeket vághatnak bolygónkon, de általában a becsapódási katasztrófák után könnyebben regenerálódik az élet (lásd a K/T idején csak bizonyos fajok pusztultak ki az állat- és növényvilágban), mint sugár-katasztrófák esetén (például felső-perm). A spirálkarokban keletkezik a csillagok zöme, így a nagytömegűek is, amelyekből II-es típusú szupernóva válhat. A II-es típusú szupernóvák a spirálkarokban fordulnak elő leggyakrabban (spirálkar-indikátorok), de a szupernóvák másik fő típusa, az Ia típusúak bárhol fellobbanhatnak, mert a kettőscsillag hosszú élete alatt jelentősen eltávolodhat a Galaxis fősíkjától, illetve a spirálkaroktól. Ugyanis az Ia típusú szupernóva úgy alakul ki, hogy egy kettőscsillag fehér törpe komponense túlzott mértékben összegyűjti a kettős rendszerben lévő circumstelláris anyagot (akkréció) és az így "feljavított, felhízott" fehér törpe sugárzási-gravitációs egyensúlya megbomlik, hiszen a fehér törpék tömege jól behatárolt az 1 naptömeg körül, és amennyiben legalább még plusz 1 naptömeggel megnövekszik a tömegük, akkor ez kataklizmát eredményez.

A megfigyelések alapján úgy tűnik, hogy a II-es típusú szupernóvák gyakoribbak. Előre megjósolni, hogy melyik csillag válhat szupernóvává a környezetünkben csak a tömegük és evolúciós állapotuk (fejlődési koruk) alapján lehet. Ezek szerint elsősorban a II típusú szupernóvákat lehet prediktálni a nagy tömegű és idős fejlődési korú (mintegy 30-100 millió éves vagy ennél is fiatalabb) prekurzor csillag megfigyelése alapján. Az Ia típusúakat nehezebb, mert nem tudni, hogy a kettős rendszer fehér törpe komponense mikor fog kellően "meghízni", és itt a konfiguráció a döntő tényező a kettősrendszerben. Ma úgy tűnik, hogy a Betelgeuze (Orion alfája) potenciális jelölt egy II-es típusú szupernóvára, de biztonságos távolságban lesz több tízmillió év múlva is a Naprendszertől.

Mivel a szupernóva-kitörések gyakorisága jóval felülmúlja a GRB eseményekét, ezért inkább van okunk a Naprendszerhez közeli szupernóváktól tartani, mint más eruptív sugárzási és csillagközi lökéshullámfrontokat létrehozó jelenségektől, (például összeolvadó kettős neutron csillagok, a galaxismag esetleges extrém kitörési aktivitási fázisai) jóllehet, ezen utóbbiak energiaprodukciója is nagyobb és már százszor akkora távolságból is veszélyesek lehetnek, különösen a Naprendszer felé irányított energianyaláb esetén, mint a közeli szupernóvák. Kérdés továbbá, hogy az adott GRB vagy más - vagy korpuszkuláris sugárforrás mennyire irányítottan sugároz és milyen távol van a Naprendszertől, vagy más veszélyeztetett térségtől. Az irányított sugárzás intenzívebb; de speciális geometriai konfiguráció kell ahhoz, hogy a veszélyeztetett zóna térben és időben is a sugárzás útjába kerüljön. Egy másik lehetséges térbeli terjedési mód a gömbszimmetrikusan terjedő lökéshullám, illetve sugárzások. A térben gömbszimmetrikusan terjedő lökéshullámfront és sugárzás energiasűrűsége valamivel kisebb, de ez is igen veszélyes, amennyiben túl közel van (ezer parszeken belül). Annak ellenére tehát, hogy a GRB források erősebben sugároznak és nagyobb távolságból is veszélyesek, mégis egy közeli szupernóva és a csillagközi anyagban terjedő szupernóva-maradvány közelébe kerülés a valószínűbb, mert maguk a szupernóvák gyakoribbak, mint egyéb égi sugárforrások. Ezeken kívül nyilvánvalóan a Nap esetleg eddig nem ismert gigantikus energiájú flerezési periódusai pedig még veszélyesebbek lehetnek a bolygónkhoz való térbeli közelségük miatt, de az ilyen flerezési aktivitás lehetőségét még nem ismerjük.

A Naprendszertől távoli, "veszélytelen" szupernóvák hatása

A fentiekben a Naprendszerhez veszélyesen közeli objektumok (szupernóvák, GRB források stb.) hatásával foglalkoztunk. Felmerül a kérdés, hogy kimutatható-e a Földön a tőlünk távoli (például legfeljebb 500 parszekre lévő) szupernóva-kitörések valamilyen hatása.

Brakenridge különböző késő-negyedidőszaki földi üledékekben kimutatta a nitrogén-oxid és a ¹⁴C izotóp jelenlétét, amely a mintegy 11 ezer évvel tőlünk, messze, mintegy 500 parszkere fellobbant Vela szupernóva -sugárzásának a földi középső légkörre gyakorolt hatásával kapcsolatosak.

A szupernóva eredetű kozmikus sugárzás helioszférikus hatásairól igen érdekes közös előadást tartott Király Péter és Sir Arnold Wolfendale az IGCP 384 Budapesten 1998. szeptember 28. - október 2. közt megtartott évi konferenciáján, továbbá Wolfendale még az ELTE TTK-n az Ortvay-kollokviumon 1998. november 5-én tartott előadásában részletesebben is foglalkozott a Nap néhány száz parszekes galaktikus környezetében néhány tízezer év távlatában fellobbant szupernóvák maradványaiból eredő kozmikus sugárzással. Rádiócsillagászati módszerekkel már régebben kimutatták a Nagy Északi Rádióívet (lásd Sklovszkij összefoglalásait). Ez egy több tízezer éwel ezelőtt felrobbant szupernóva maradványa az égbolton, de olyan messze volt a robbanás, hogy nem volt káros hatása a Földön. A Naprendszer és a szupernóva-maradvány mintegy tízezer év múlva fog találkozni, de semmi káros következménye nem lesz az élővilágra, legfeljebb csak a primér kozmikus sugárzás fog megnövekedni a bolygóközi térben.

Ellis és Schramm kimutatta különböző földi jégmintákban (Antarktisz) a mintegy 340 ezer éwel ezelőtt mintegy 510 fényévre fellobbant Geminga szupernóvától származó elemeket. Régebbi szupernóva-kitörések földi izotóp nyomait nehéz felkutatni, mert kevés ezekhez kapcsolódó hosszú élettartamú izotóp van, legfeljebb a bomlástermékeiket lehetne azonosítani. Ezért is nehéz többek között a felső-permi közeli szupernóva-esemény földi fiziko-kémiai nyomait kimutatni.

Irodalom

BÕDY Z., 1995.: Miért nem "akadozik" a szupernóva "motorja"? - Természet Világa 126/6(1995) 274-275
BÕDY Z., 1996.: A szupernóvák leszaggatják az Univerzum álruháját - Természet Világa 127/1 (1996) 33
DETRE CS., 1998.: A szferulák. Kozmikus események hírnökei - Természet Világa 129/2 (1998) 71-73
DETRE CS., TÓTH I., 1998.: Mi történt a perm-triász határon? Lehetséges közeli szupernóva-robbanás nyomai a szferulákban - Természet világa 129/7(1998) 290-294
DUDICH E., 1996.: Sikertörténet a nemzetközi geológiai kutatásban Természet Világa 127/8 (1996) 372-373
JORDÁN F., 1998.: A kihalások története- Természet Világa 129/3 (1998) 105-108
N.G., 1992.: Amikor majdnem kipusztult az élet (Háttér) - Természet Világa 123/7(1992) 302-303
Scientific American cikke nyomán - A legnagyobb tömeges kihalás (Háttér) - Természet Világa 129/3 (1998) 109
SCHULL, W.J. (ford. Abonyi Iván), 1996.: Genetikai vizsgálatok Hiroshimában és Nagaszakiban - Természet Világa 127/2 (1996) 82-84
SZTANÓ O., 1993.: Egy "új" rétegtani módszer a szekvenciális sztratigráfia - Természet Világa 124/9 (1993) 392-395
WATSON, A., 1990.: Honnan származik a kozmikus sugárzás? - Természet Világa 121/11 (1990) 492-496
ASIMOV, I., 1987.: A robbanó Napok - a szupernóvák titkai - Kossuth Könyvkiadó, Budapest, Univerzum könyvtár
BARCZA SZ., 1979.: A csillagok élete- Gondolat, Budapest
JASTROW, R., 1976.: Vörös óriások és fehér törpék- Gondolat, Budapest
LOVAS M., 1969.: Nóvák és szupernóvák - Csillagászati Évkönyv 1969. Gondolat, Budapest, 229-449
MARIK M. (szerk.), 1989.: Csillagászat - Akadémia, Budapest 566-569, 602
MILTON, S., 1983.: A Rák-köd - Gondolat, Budapest
SKLOVSZKIJ, I. S., 1976.: Világegyetem, élet, értelem - Gondolat, Budapest
SKLOVSZKIJ, I. S., 1981.: Csillagok - születésük, életük, pusztulásuk: Gondolat, Budapest
ZELDOVICS, J. A. B., BLINNIKOV, S. I., SAKURA, N. Y. I., 1988.: A csillagszerkezet és csillagfejlődés fizikai alapjai - Gondolat, Budapest
_______________________

A NASA Hold és Bolygókutatási Intézete 1998. március 16-20. közt rendezte meg a texasi Houstonban a legutóbbi rendszeres évi konferenciáját, amelyen a Magyar Állami Földtani Intézet (MAFI) koordinálásával folytatott "Nemzetközi Geológiai Korrelációk Programja (IGCP) 384" számú projekt legújabb eredményeit mutatták be a magyar szakemberek, és az eredményekre a nemzetközi majd a hazai tudományos szaksajtó is felfigyelt. A magyar kutatók által előadás formájában kifejtett munka arról szólt, hogy milyen eseménnyel vagy eseménysorral kapcsolatos bolygónk történetében az élővilág legnagyobb krízise, amikor is majdnem teljesen kipusztult az élet a Földön, mintegy 200 millió évvel ezelőtt a felső-perm geológiai időszakban. Az erre adott egy lehetséges magyarázatot ismertetjük.