河内伽玛暴对生物圈的可能影响
上个月arXiv放出了一篇挺有意思的论文，探讨银河系内倘若发生伽玛射线暴，地球上的生命会受到什么样的影响，就此顺手写点东西吧。这文章说来也诡异，第三位作者居然是来自纽约警察局的，不过查来说是研究辐射防护一类的，所以也还算靠谱。
首先不用慌，按照主流理论，当代银河系内发生伽玛暴的可能性微乎其微，因为这种爆发的发生率本来就不高。而且长暴需要前身星具有较大的角动量，一般孤立恒星的高角动量和低金属丰度相关，当代大质量恒星是不满足这一点的。虽说双星系统导致的高角动量还有短暴需要另当别论，但观测上低红移区的伽玛暴也确实不多，双致密星也不是多么常见的天体组合。不过在过去的5亿年间，银河系还是很可能发生过一次指向地球的伽玛暴的。文中讨论的是过去而非未来，各位尽可放心。
河内伽玛暴的艺术概念图。（图片提供：NASA）
文中讨论的伽玛暴对生物圈的影响主要有两个方面，一是强烈的伽玛射线辐射改变地球大气的化学成分进而促进臭氧层的瓦解，二是伽玛光子诱发的次级粒子簇射抵达地表。先说第一个。
第一个方面应该是传统上讨论伽玛暴影响的重点了。早年就有人计算过，伽玛射线会让大气中的一些原子发生电离，形成大量自由离子。同时，暴露在大剂量伽玛光子下的氮分子会瓦解形成氮原子。自由离子与氮原子结合的产物是氮的一系列氧化物，它们可以充当臭氧层破坏的催化剂。
臭氧层对生物圈的重要性应该是众人皆知了。没有它的保护，数百倍于当前值的太阳紫外辐射（特别是UVB）将射向地表。生物体在吸收了过量的UVB后，会造成体表灼伤和DNA损伤，进而癌症的发病率与后代的变异率大大提升。有人因此将奥陶纪末的生物集体灭绝归为河内伽玛暴的影响；但与此相反，也有观点认为寒武纪生物大爆发也是伽玛暴的功劳。
这篇文章的重点则是第二个方面，也就是先前人们了解较少的次级粒子簇射（主要是μ子）。当入射光子能量足够高（对μ子而言大致在10 GeV以上）时，它会与地球大气发生反应，产生级联的次级粒子。但这里需要进行一个不大靠谱的假设。次级粒子的产生还与伽玛暴外流物中的高能重子相关，这种成分占据的比例是不确定的。文中选择完全忽略了重子的影响。考虑当前没有探测到任何与重子相关的伽玛暴中微子，理论上限是存在的。虽然说上限不是定值，不过好在当前已知的上限不会太高，否则事情会变得更加不靠谱一些……
由于长暴的能谱普遍比短暴为软，而硬谱由于可以提供更多满足反应条件光子，更容易激起簇射，所以文中以讨论短暴的影响为主，以典型的双幂律Band谱（高能谱指数-2.3）为例。另外由于持续时标较长的GRB 120424A也有成协μ子观测到，它是论文作者选择的另一个例子。考虑河内伽玛暴较大的流量，这两个示例能谱也被重新归一，认为在抵达地球大气顶部时具有每平方米100千焦的流量。
Band谱情形下生成的μ子能谱。（图片来源：Atri, Melott & Andrew Karam 2013）
次级粒子簇射的模拟使用的是基于Monte Carlo算法的CORSIKA程序。参与反应的光子能量分布在10到100 GeV之间，总数为1000万个，随机从大气顶部入射。对于Band谱情形，此过程中一共产生了72个能量介于1至10 GeV之间的μ子，还有超过10000个介于10至100 GeV之间的μ子，另外51个正负电子和47个光子也抵达了地面。对于GRB 120424A的情形，由于持续时标长，μ子的流量要比前者还高得多。
那么这样的μ子流量对生物体会产生何种影响？文中用边长15厘米的立方体水容器来模拟生物体承受的次级粒子辐射，求出的结果是，Band谱情形辐射量只有0.11微西弗特，而GRB 120424A情形也只有0.3毫西弗特。这是什么概念？抄来一张现成的示意图作参考：
至于国内的标准就懒得去查了，不过应该跟上图大差不差。论文中提到，美国劳动者每年承受的辐射上限规定为50毫西弗特，好歹还算是上图在同一数量级。换句话说，就算是0.3毫西弗特，考虑伽玛暴是瞬时的现象，暴露时间不长，就人体健康来说也完全可以忽略不计。如果是0.11微西弗特，那更是完全没有影响。由于放射性钾元素同位素的存在，连食用一只香蕉都会遭受0.1微西弗特的辐射，好像没有听说谁因为害怕这个不再去吃香蕉了吧……
至于体型更小的地等生物，比如昆虫之类，由于身体结构简单，往往承受辐射的能力反而更强，有些微生物一次性承受数千甚至上万西弗特的高能光子辐射还毫无压力，所以这些也是毋须担心。
这样看来，河内伽玛暴对生物圈的主要影响在于诱使臭氧层破坏，忽略次级粒子的影响也问题不大——除非未来某一天出现了可靠的中微子测量，说明外流物中的重子比例极高，那就要重新考虑这一切了。但如果真是是这样的话，貌似伽玛暴的理论也要进行大革新了……
