GALAKTIKUS GAMMA-KITÖRÉS HATÁSAI BOLYGÓNKRA EFFECTS OF A GALACTIC GAMMA-RAY BURST ON EARTH. 1. Bevezetés Történet KOVÁCS ANDRÁS

Átírás

1 TERMÉSZETTUDOMÁNY KOVÁCS ANDRÁS GALAKTIKUS GAMMA-KITÖRÉS HATÁSAI BOLYGÓNKRA EFFECTS OF A GALACTIC GAMMA-RAY BURST ON EARTH Az elmúlt években a gamma kitöréseket vizsgáló kutatók, miután az alapvető tulajdonságokkal már tisztában voltak, elkezdek érdeklődni egy esetleges Földhöz közeli kitörés hatásairól. A kérdéskör eléggé széleskörű: a földi atmoszféra, a klíma és az élővilág is jelentős változásokon eshetnek át egy ilyen esemény tényleges bekövetkezése nyomán, sőt a föld történetében bekövetkezett világméretű katasztrófák is melyeket eddig esetleg más jelenségeknek, például meteoroknak tulajdonítottak kapcsolatba hozhatóak ilyen kitörésekkel. Kulcsszavak: gamma-kitörés, kihalás, DNS pusztulás, légköri változások Because of scientists have already known a lot about the basics of gamma-ray bursts, they have started to be interested in the effects of a hypothetic burst close to earth. There is a wide range of questions: the atmosphere, the climate and the biosphere could change in unknown ways, if a burst like this happened in our galaxy. Furthermore, the mass extinctions in earth's history could be caused by a gamma-ray burst, however earlier scientists thought they were caused by meteors. Keywords: gamma-ray burst, extinction, DNA-damage, atmospheric changes 1. Bevezetés 1.1. Történet A gamma-kitörések (angolul Gamma-Ray Burst, röviden GRB) felfedezése egy katonai biztonsági művelet kapcsán vált lehetővé: az 1960-as évek elején megszületett az atomcsend-egyezmény, mely tiltotta a kísérleti nukleáris robbantásokat. Az Amerikai Egyesült Államok a hidegháború idején bizalmatlan volt a Szovjetunió felé, ezért a világűrbe bocsátották a Vela műholdcsalád tagjait, melyek az esetleges robbanásokat kísérő 31

2 GALAKTIKUS GAMMA-KITÖRÉS HATÁSAI BOLYGÓNKRA elektromágneses sugárzás mérését tették lehetővé, melyeket a feltételezések szerint a szovjetek a Hold túlsó, nem látható oldalán végeztek. Ilyen robbanást azonban soha nem azonosítottak, ám titokzatos, a távoli világűrből érkező jeleket észleltek, ki kellett tehát deríteni, hogy milyen objektumok ezek forrásai. Először július 2-án észleltek kitörést, de a katonai jelleg miatt a publikációra csak később került sor [Klebesadel, R.W. 1973]. Sikerült korán kizárni a naptevékenységet és a kisebb csillagok szupernóva robbanásait, de a tényleges eredet nyitott maradt, s a mai napig tartó kutatási témája lett a modern nagy energiás asztrofizikának Megfigyelés A kitörésekkel kapcsolatos kérdések megoldásának igénye miatt további műholdak kerültek felbocsátásra a világűrbe. Először az Apollo és Venyera küldetések erősítették meg a korábbi vizsgálatok eredményeit, majd következett a többi műhold, melyek a részletesebb és pontosabb mérések nyomán egyre több tulajdonságot voltak képesek vizsgálni, s ezek nyomán új jelenségeket is képesek voltak a kutatók kapcsolatba hozni a kitörésekkel. A CGRO (Compton Gamma-Ray Observatory) nevű űrtávcsövön lévő BATSE (Burst And Transient Source Explorer) detektor nyomán a talán legfontosabb felismerés az volt, hogy a kitörések eloszlása az égen izotróp [Briggs et al. 1996, Balázs et al. 1999, Vavrek et al. 2008], tehát minden irányban ugyanolyan valószínűséggel történik kitörés, ez pedig kizárja a galaktikus jelleget, ami bizonyíték a kitörések kozmológia eredetére. A kitörések forrásaként szolgáló objektumok mibenlétét azonban továbbra is homály fedte. A BeppoSAX nevű olasz-holland műhold a kitöréseket követő halvány utófénylést észlelt 1997-ben, a műhold röntgen tartományú mérései alapján optikai tartományban, földi távcsövekkel sikerült meghatározni a kitörések helyét. Mivel volt lehetőség immáron a hely meghatározására, fontossá vált, hogy a kitörés észlelése után a röntgen és optikai távcsöveket minél gyorsabban fordítsák a megfelelő irányba a forrás helyének meghatározásához. Ez a Swift műhold esetén már megvalósult, csakúgy, mint az AGILE esetében, ezért ezek már alkalmasak voltak a gyors irányba fordulásra.

3 TERMÉSZETTUDOMÁNY 1. ábra. A BATSE detektor által mért kitörések eloszlása [Briggs et al. 1996] Napjaink gamma kitörések után vadászó műholdja, a Fermi űrtávcső pedig ezeket is felülmúlja, mind mérési érzékenységben és pontosságban, mind pedig a kitörések helyének azonosításában A kitörések forrásai Alapvetően két csoportját különböztetjük meg a gamma-kitöréseknek, a hosszabb illetve a rövid kitöréseket, de mivel ezek a populációk átfednek, lehetséges egyéb csoportosítási mód is az időtartamok alapján [Horváth, I. 1998, 2005, 2009, Horváth, I. et al. 2004, 2006, 2008], elsősorban különböző statisztikai módszerek segítségével [Varga, B. et al. 2005, Veres, P. et al. 2005, 2006]. A hosszú kitörések forrásai a ma elfogadott elméletek szerint nagy tömegű (akár M ) csillagok, melyek elérik végállapotukat és kollapszárként vagy hipernóvaként végzik életüket [Zhang, B. & Mészáros, P. 2004, Balázs et al. 2004, 2006]. A rövid kitörések ezzel ellentétben nem egy darab objektum hatásai, hanem két egymás körül keringő neutroncsillag, esetleg egy neutroncsillag-fekete lyuk kettős egymás körüli keringésének nyomán jönnek létre [Nakar, E. 2007]. Az ilyen folyamatok során hatalmas mennyiségű energia szabadul fel, ez összemérhető egy a mi napunkéhoz hasonló csillag teljes élete során kisugárzott energiával, ami kb erg teljes kisugárzott energiát jelent, izotróp módon, gömbszerű kisugárzást feltételezve [Zhang, B. & Mészáros, P. 2004, Mészáros et 33

4 GALAKTIKUS GAMMA-KITÖRÉS HATÁSAI BOLYGÓNKRA al. 2006, Bagoly et al. 2009]. A vizsgálatok arra vezettek, hogy ez a kisugárzás ún. jet struktúrájú, azaz kis térszögben, nagy sebességű (v jet =0, c, ahol c a fény sebessége vákuumban) anyagsugarak formájában történik [Mészáros, P. 2006], tehát reálisabb, ha az energiatartomány alsó határát tekintjük a hozzávetőleges kisugárzott energiának. Ebből rögtön látszik, hogy ahhoz, hogy a kitörés hatásai a legerősebbek legyenek, az adott objektumnak az anyagsugarak irányában kell lennie. 2. ábra. Hipernóva robbanás 2. A gamma-kitörések és a Föld kapcsolata 2.1. Katasztrófák a föld történetében Különböző tudományágak együttműködésének eredményeként tudjuk, hogy öt nagy kihalás történt az évmilliók során, bolygónkon [Sepkoski, J. & Raup, D. 1982]. Ezek a 4. ábrán látható módon jól láthatóan kiemelkednek a többi évben tapasztalt kipusztulási értékek közül. 34

5 TERMÉSZETTUDOMÁNY 3. ábra. A vízszintes tengely mutatja az évmilliókat, míg a másikról a tengeri fajok százalékos kihalása szerepel A gamma-kitörésekkel ezek közül az ordovícium földtörténeti kort lezáró kihalási esemény hozható kapcsolatba, ami millió évvel ezelőtt történt, és az egyik legjelentősebbnek számít mind közül A kapcsolat alapjai Ismerve a mérésekből a kitörések izotróp tulajdonságát az égen, és azt, hogy több százmillió éves időskálákon mérjük a Föld történetét, jogosnak tűnik a feltételezés, hogy a távoli múltban, a mi galaxisunkban is történhetett gamma-kitörés [Dermer, C. D. & Holmes, J.M. 2005]. Mivel a kihalások oka nem teljesen tisztázott, lehetett akár olyan közel is bolygónkhoz a kitörés forrása, hogy az abból kiáramló sugárzás jelentősen befolyásolta a földi életet [Melott, A. L. et al. 2004]. Természetesen ilyen kitörések megfigyelése nem lehetséges, hisz eddigi ismereteink szerint nincsen élet a Földön kívül, ezért nem tudjuk vizsgálni az élet pusztulását. Annak érdekében, hogy mégis legyen képe a tudománynak egy ilyen esemény bekövetkezése utáni viszonyokról, szimulációkhoz érdemes fordulni. A jövőben egy esetleges Föld típusú bolygó felfedezésekor és tanulmányozásakor hasznos lehet a tudás, amit egy ilyen kutatás nyújthat. 35

6 GALAKTIKUS GAMMA-KITÖRÉS HATÁSAI BOLYGÓNKRA 3. Galaktikus kitörés numerikus szimulációja 3.1. A légköri modell A modell, melyet a NASA és a University of Kansas kutatói készítettek egy 2 dimenziós atmoszférikus modellt, hasonlóképp egyikük korábbi munkájához [Thomas, B.C. et al. 2005]. A két koordináta a földrajzi szélesség és a magasság. A szélességi skála 18 részre lett felosztva a Föld északi és déli pólusa között, míg a magassági skála 58 részes, a földfelszíntől kezdve 2 kilométerenként különböző szinttel. Ennek a paraméterezési módnak azonban még két különböző fajtáját használták: az egyik időskálájának egysége egy földi nap, s ebből képeznek átlagot, figyelembe véve az olyan transzport folyamatokat, mint a szél és a diffúzió. A másik modell típus ezeket a folyamatokat nem veszi figyelembe, rövidebb lefutási idejű folyamatok tárgyalhatóak vele, mivel az időegysége ebben az esetben egy másodperc. Egyik típus sem veszi számításba a GRB-k esetleges ultra nagy energiájú kozmikus sugárzást keltő hatását [Dermer, C. D. & Atoyan, A. 2006] A szimuláció paraméterei A gamma-kitörések nagyon sokrétű jelenségek, szinte minden tekintetben, ezért fontos valamilyen átlagos paraméterek megtalálása, melyek jól jellemzik a modellezni kívánt közeli kitörést. A kis vöröseltolódású kitörések energiái 4,4x1044 W és 6x1044 W értékek között mozog általában, ezért egy ebbe az intervallumba eső értéket választottak a szimuláció készítői, s 5x1044 W lett végül. Az időbeni lefutás is a gamma-kitörések egyik fő jellemzője, a modell csak hosszú kitöréseket kíván figyelembe venni, ezért az ezekre vonatkozó tipikus értékekhez (2 s 280 s) hasonlóakat kell megadni, így a kutatók három fajta lefutási idővel is dolgoztak: 1 s, 10 s, 1000 s. A kitörés távolságát is fontos megbecsülni, ami korábbi becslések alapján [Melott, A.L. et al. 2004] 2 kpc megközelítőleg, azaz nagyjából 6000 fényév. Mindezek mellett definiálható a fluencia nevű mennyiség is, mely a detektor beütésszám-függvényének a kitörés teljes időtartamára vett integrálja,

7 TERMÉSZETTUDOMÁNY ennek értéke a szimulációban 100 kj/m2. Utolsóként a sorban a gammakitörésből származó légköri ionizációt kell még megadni valamilyen tipikus paraméterekkel, melyek a GRB energiaspektrumából [Band, D. et al. 1993, Veres et al. 2005] származnak: = 0,8, = 2,3, E0=187,5 kev [Preece, R.D. et al. 2000]. Az egyenletekben A az ún. fluxus állandó, míg a többi paraméterként az előbbiekkel számol a modell. Különböző energiákra más egyenletek vonatkoznak, az erre vonatkozó feltételek az egyenletek mellett szerepelnek A szimuláció eredményei A megadott paraméterekkel történt futtatás után a szimuláció jelentős eredményekkel szolgált változások terén mind az atmoszféra, mind pedig a bioszféra esetén A légkörben bekövetkezett változások A légkörben csökkenést mutat az ózon koncentrációja, ami katalizálja NOy molekulák képződését, elsősorban, NO és NO2 keletkezik [Thomas, B.C. et al. 2005]. Ezek úgy jönnek létre, hogy mikor a gammasugárzás eléri a légkört, az ott lévő légréteget ionizálja, ennek következtében pedig az N2 molekulák disszociációja játszódik le. Ez azért fontos, mert ezek a disszociált részecskék gyorsan reakcióba lépnek az O2 molekulákkal NO-t képezve. Az ózon sűrűségének csökkenése a következő reakciók lezajlása miatt történik: NO + O3 NO2 + O2 ami után a keletkezett NO2 reagál az O részekkel : NO2 + O NO + O2. Az eredmény tehát : O3 + O O2 + O2. 37

8 GALAKTIKUS GAMMA-KITÖRÉS HATÁSAI BOLYGÓNKRA ábra. A légköri változások A szimuláció azt adta eredményül, hogy a földrajzi helyzettől függő ózon pusztulás minimális esetben is eléri a több, mint 10%-os értéket a kitörést követő 5-7 napban, de vannak helyek az egyenlítő környékén, ahol eléri a 38%-ot is, ahogy az 5. ábrán is látható. A teljes regenerálódás viszont nem néhány nap, hanem akár évig is eltarthat egy ilyen mértékű ózonréteg leépülés után. Érdemes itt megjegyezni, hogy az emberi tevékenységek okozta hasonló károsodás mértéke egy világátlagot véve kb. 3% [Thomas, B. C. & Melott, A. L. 2006]! Az ózon pusztulásának folyományai A lejátszódó folyamatok három fő hatást indukálnak, az első sztratoszférában lévő ózonréteg pusztulása [Thomas, B.C. et al. 2005], aminek az a következménye, hogy a napból érkező UV sugárzás jóval nagyobb hányadában éri el a Föld felszínét, mely pusztító hatással van a földi élőlényekre [Thomas, B.C. & Melott, A. L. 2008]. A második jelentős effektus a NO2 (egy barna színű gáz) arányának növekedése, ami elnyeli a kékhez közeli optikai tartományba eső fény egy részét, tehát úgymond homályossá teszi a légkört. A lejátszódó elnyelődési effektusok és az aeroszolok képződése vezethetnek odáig, hogy a földi

9 TERMÉSZETTUDOMÁNY klíma le fog hűlni emiatt, ami esetleg a bolygónk jegesedéséhez is vezethet [Reid, G.C. & McAfee, J.R. 1978]. Harmadik hatásként a HNO3 csapadék képződését említhetjük még, ami az atmoszféra normál helyzetébe való visszatérésének következménye, ám ez a hatás nem elég nagy ahhoz, hogy súlyosabb következményekkel járjon [Thomas, B.C. & Honeyman, M.D. 2008], sőt az ilyen savas eső formájában a földfelszínre jutó nitrátok akár pozitív hatással is lehetnek a földi növények egy részére, melyeknek épp nitrogénre van szüksége [Thomas, B.C. 2009]. 5. ábra. Az ózon sűrűségének átlagos százalékos változása különböző szélességi koordináták esetén [Thomas et al. 2005] Biológiai hatások Az említett ózonréteg-ritkulás miatti megnövekedett földfelszínre jutó UV sugárzás a biológiai változások fő forrása. Az UV sugárzás az elektromágneses spektrum kb nm hullámhosszú tartománya, pusztító hatása a DNS-re és egyéb molekulákra ismert: az anyagcsere folyamatok lassulását, a foto szintetizáló képesség csökkenését okozhatja, többsejtű lények esetén abnormális növekedést, esetleg a sejtek rákos 39

10 GALAKTIKUS GAMMA-KITÖRÉS HATÁSAI BOLYGÓNKRA megbetegedését is [Vincent, W.F. & Neale, P.J. 2000]. Az UV sugárzás néhányszor 10 m mély vízben már elnyelődik, így a tengerek fenekén élő életformák nincsenek közvetlen veszélyben, ám a víz felső rétegeiben, néhány méter mélyen élő planktonok és egyéb apróbb élőlények nem élnék túl a megnövekedett sugárzás hatásait, s elpusztulnának [Melott, A. L. et al. 2004]. Mivel a planktonok a tápláléklánc alapját képezik, ez az egész tengeri élővilágra erősen negatívan hatna ábra. A DNS relatív pusztulása a hullámhossz függvényében [Setlow, R.B. 1974] Brian Thomas és társai a munkájuk során, hogy számszerűsítsék az eredményeiket, felhasználták a szimulációból eredményül kapott ózonréteg-ritkulás értékeit, ismereteiket az UV sugárzás megváltozásáról és a Lambert-Beer-féle törvényt is [Thomas, B.C. et al. 2005], mely a fény abszorpciója és a közeg között teremt kapcsolatot. A számoláshoz használtak még egy biológiai súlyfüggvényt is [Setlow, R.B. 1974], ami külön súllyal kezeli az egyes fényhullámhosszak hatását a DNS pusztulásában. A számolások elvégzése után kiderült, hogy az átlagos, kitörés előtti DNS pusztulás mértéke egyes helyeken a 16-szorosára nőtt a kitörés lezajlása után. Az ilyen fokú károsodás néhány hónapon belül véget ér, de még akár néhány év múlva is lesznek olyan területek, ahol a normál érték kb. 5-7-szeresének szintjén marad a károsodás.

11 TERMÉSZETTUDOMÁNY 4. Összefoglalás A gamma-kitörések tanulmányozásának újabb fontos iránya lehet a földközeli kitörések vizsgálata, hisz a szimuláció eredményeiből is jól látszik, ezek a nagy energia felszabadulásával járó események jelentős hatásokkal járhatnak bolygónk légkörére és élővilágára egyaránt, további vizsgálatuk során közelebb kerülhetünk Földünk múltjának, jelenének, sőt jövőjének megértéséhez is. Ha a jövőben lehetségessé válik esetleg egy a miénkhez hasonló bolygó vizsgálata, amihez közel történt gamma felvillanás, az átlagos GRB paraméterekkel futtatott szimuláció tényleges hasznát, eredményeinek fontosságát is láthatjuk majd talán. Mivel szinte minden elpusztulhat, ami a közelükben van, a kitöréseket legtöbbször negatív hatással társítják, de egyes álláspontok szerint talán mégsem ilyen rossz a helyzet, mivel lehetséges a kitörések nyomán fellépő pozitív utóhatás is, elég az említett növényekre gondolni, melyeknek szükségük van némi plusz nitrogénre. A föld történetében rengeteg kozmikus eredetű változás történhetett az évmilliók során, melyek pozitív vagy negatív volta nem mindig tisztázható, mint ahogy nem kristálytiszta a gamma-kitörések esetében sem, melyek hatalmas energiájukkal élet és halál urai az univerzumban. 41

12 GALAKTIKUS GAMMA-KITÖRÉS HATÁSAI BOLYGÓNKRA Felhasznált irodalom 1. Atoyan, A., and Dermer, C. D., High Energy Cosmic Rays from Local GRBs, Journal of Physics, Conference Series, Vol. 47, Bagoly, Z., et al. Factor analysis of the long gamma-ray bursts, A&A, 493, Balázs, L.G., Hetesi, Z., et al. A possible interrelation between the estimated luminosity distances and internal extinctions of type Ia supernovae, Astronomische Nachrichten, 327, Balázs, L.G., et al. A Physical Difference between the Short and Long GRB, Baltic Astronomy, 13, Balázs, L.G., Mészáros, A., et al. An intrinsic anisotropy in the angular distribution of gamma-ray bursts, A&A Suppl, 138, Band, D. et al. BATSE observations of gamma-ray burst spectra. I Spectral Diversity. The Astrophysical Journal, 413: , Briggs et al. BATSE observations of the large-scale isotropy of gamma-ray bursts. The Astrophysical Journal, 459: Dermer, C. D. & Holmes, J. M. Cosmic Rays from Gamma-Ray Bursts in the Galaxy. The Astrophysical Journal, 628 L21-L Horváth, I. A third class of gamma-ray bursts? The Astrophysical Journal, 508: Horváth, I., Balázs, L.G.,Bagoly, Zs., Ryde, F., Mészáros, A. A new definition of the intermediate group of gamma-ray bursts. Astronomy & Astrophysics, 447, 23-30,

13 TERMÉSZETTUDOMÁNY 11. Horváth, I., Balázs, L.G., Bagoly, Zs., Veres, P. Classification of Swift's Gamma-Ray Bursts. Astronomy & Astrophysics, 489: L Horváth, I., Classification of BeppoSAX's Gamma-Ray Bursts. Astr. Space Science, in print, Horváth, I., Mészáros, A., Balázs, L.G., Bagoly, Zs. Where is the 3rd subgroup of GRBs? Baltic Astronomy, Vol , Horváth, I. The classification of the gamma-ray bursts. Bolyai Szemle. Bolyai Military University Publisher. XIV/ Klebesadel, R. W., Strong, I. B. and Olson, R. S. Observations of Gamma-Ray Bursts os Cosmic Origin. The Astrophysical Journal, 182:L85, Melott, A. L. et al. Did a gamma-ray burst initiate the late Ordovician mass extinction?. International Journal of Astrobiology 3: 55 61, Mészáros, A., et al. Redshift distribution of gamma-ray bursts and star formation rate A&A, 455, Mészáros, P. Gamma-ray bursts. Rep. Prog. Phys., 69, Nakar, E. Short-hard gamma-ray bursts, Physics Reports, Volume 442, Issue 1-6, p Preece, R. D. et al. The BATSE Gamma-Ray Burst Spectral Catalog. I. High Time Resolution Spectroscopy of Bright Bursts Using High Energy Resolution Data. ApJS 126, 19, Raup, D. M. & Sepkoski, J.J., Mass extinctions in the marine fossil record. Science 215, Reid G.C. & McAfee J.R. Effects of intense stratospheric ionisation events, Nature 275, ,

14 GALAKTIKUS GAMMA-KITÖRÉS HATÁSAI BOLYGÓNKRA 23. Setlow, R. B. The Wavelengths in Sunlight Effective in Producing Skin Cancer: A Theoretical Analysis Proc. Natl. Acad. Sci., 71, Thomas, B.C. et al. Gamma-Ray Bursts and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects, The Astrophysical Journal, Volume 634, Issue 1, Thomas, B.C. et al. Terrestrial Ozone Depletion due to a Milky Way Gamma-Ray Burst, The Astrophysical Journal, Volume 622, Issue 2, pp. L153-L Thomas, B.C. & Honeyman, M.D. Amphibian nitrate stress as an additional terrestrial threat from astrophysical ionizing radiation events? Astrobiology Aug;8(4): , Thomas, B.C. & Melott, A.L. Gamma-ray bursts and terrestrial planetary atmospheres New Journal of Physics, Volume 8, Issue 7, Thomas, B.C. & Melott A.L., Late Ordovician geographic patterns of extinction compared with simulations of astrophysical ionizing radiation damage, Thomas, B.C. Gamma-Ray Bursts as a Threat to Life on Earth, 8 pages; submitted as part of proceedings of the ESLAB Symposium on 'Cosmic Cataclysms and Life', November 2008; to be published in a special issue of the International Journal of Astrobiology 30. Varga, B., et al. A new approach of Analyzing GRB light curves, Nuovo Cimento, 28, Vavrek, R., et al. Testing the randomness in the sky-distribution of gamma-ray bursts, MNRAS, 391, Veres, P., et al. Analysis of the BATSE continuous MER data, Nuovo Cimento, 28,

15 TERMÉSZETTUDOMÁNY 33. Veres, P., et al. Model-independent methods of describing GRB spectra using BATSE MER data, Nuovo Cimento B, 121, Vincent, W. F. & Neale, P. J. Mechanisms of UV damage in aquatic organisms. In: de More Cambridge Univ. Press, Zhang, B. & Mészáros, P. Gamma-Ray Bursts: progress, problems & prospects, International Journal of Modern Physics A, Volume 19, Issue 15, pp

16 46 GALAKTIKUS GAMMA-KITÖRÉS HATÁSAI BOLYGÓNKRA