伽瑪暴與宇宙中的生命滅絕

□ 楊辰濤

伽瑪暴與宇宙中的生命滅絕

□ 楊辰濤

圖片來源網(wǎng)絡(luò)

有幾個(gè)亙古不變的問題始終貫穿在整個(gè)人類發(fā)展的文明史中。從我們誕生開始這些問題就被深深地烙入我們的基因：我們是誰？從哪里來？又將去向何方？為了回答這些問題，我們不斷地尋找人類的起源，乃至地球上一切生命的起源。同時(shí)我們也在努力嘗試尋找地外文明，想盡辦法與他們建立聯(lián)系，試圖尋求和理解我們存在于這個(gè)宇宙的意義。

早在1977年，人類就開始嘗試主動(dòng)與地外文明溝通和取得聯(lián)系。美國(guó)先后發(fā)射了旅行者1號(hào)和2號(hào)，上面搭載著記錄了人類作為智慧生命相關(guān)信息的金屬盤（圖1）。在這之后，美國(guó)又發(fā)起了一項(xiàng)名為SETI(Search for Extra-Terrestrial Intelligence，即搜索地外文明)的計(jì)劃，希望通過無線電波跟遙遠(yuǎn)的地外智慧生命取得聯(lián)系（圖2）。

不管怎樣，我們假設(shè)地外生命真實(shí)地存在于廣闊無垠的宇宙中，那他們所處的環(huán)境又是怎樣的呢？我們通常會(huì)考慮到這些生命所處的行星上有沒有水，行星系統(tǒng)中恒星的大小和溫度適不適合生命生存，行星距離中心恒星的遠(yuǎn)近合不合適，還有行星周圍小行星的分布、軌道以及它們撞擊行星的概率等等。

圖1 搭載于1977年發(fā)射的旅行者探測(cè)器上的金屬盤，上面記錄了關(guān)于人類的一些基本介紹信息。（圖片來源：NASA）

但其實(shí)除了這些因素之外，宇宙中出現(xiàn)的劇烈爆發(fā)事件同樣會(huì)影響到行星上生命的生存，甚至造成生命的滅絕。此類的爆發(fā)事件可以是超新星爆發(fā)（Supernova，簡(jiǎn)稱SN），抑或是伽瑪暴（Gamma Ray Burst，簡(jiǎn)稱GRB）。后者是宇宙中最為劇烈的爆發(fā)事件，對(duì)生命的影響相比于超新星爆發(fā)來說更大。根據(jù)電磁輻射波長(zhǎng)與其能量成反比的關(guān)系，伽瑪輻射處于電磁光譜波長(zhǎng)最短的一端，因此伽瑪光子具有最強(qiáng)的能量。

圖2 美國(guó)SETI研究所發(fā)起的SETI@home計(jì)劃，通過大量連入互聯(lián)網(wǎng)的電腦的閑置計(jì)算能力搜尋地外文明。參與者可以通過下載SETI提供的程序讓自己的計(jì)算機(jī)在屏保時(shí)幫助檢測(cè)來自宇宙的射電輻射信號(hào)。（圖片來源：維基百科）

具有超過十萬電子伏特（1個(gè)電子伏特代表一個(gè)電子經(jīng)過1伏特的電位差加速后所獲得的動(dòng)能）的伽瑪光子可以對(duì)地球大氣層中的臭氧層產(chǎn)生毀滅性的破壞，從而導(dǎo)致地球上的生命直接暴露在來自太陽的紫外線和其他致命高能射線之下。而地球上的生命在這些高能射線的直接照射下就會(huì)死亡（高能光子直接破壞細(xì)胞中的分子），從而造成生命滅絕。

實(shí)際上，有些科學(xué)家傾向于認(rèn)為地球上生命演化早期歷史中曾經(jīng)發(fā)生過的滅絕事件，其罪魁禍?zhǔn)缀芸赡芫褪荊RB。因此，如果我們要搜尋地外生命，或者討論我們?nèi)祟愖陨淼纳姝h(huán)境是否安全，我們不得不考慮朝向地球的GRB會(huì)不會(huì)發(fā)生，且會(huì)以什么樣的頻率發(fā)生。

最近，來自以色列希伯來大學(xué)的天文學(xué)家茨維·皮蘭（Tsvi Piran）和來自西班牙巴塞羅那大學(xué)的勞爾·吉梅內(nèi)斯（Raul Jimenez）在他們發(fā)表于《物理學(xué)快報(bào)》的論文中就以這樣的視角，即通過對(duì)GRB的細(xì)致分析，探討了GRB對(duì)宇宙中生命存在的影響。他們的基本想法就是計(jì)算出宇宙中不同區(qū)域（地球、銀河系乃至整個(gè)宇宙）受到GRB事件影響的概率。

在此之前，我們需要知道，GRB分為不同的種類。早先的天文學(xué)家通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)GRB爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間，大致可分為兩類。一類GRB的持續(xù)時(shí)間短于2秒，我們將其稱為短暴（short GRB，簡(jiǎn)稱sGRB）；持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于2秒的我們稱為長(zhǎng)暴（Long GRB，簡(jiǎn)稱LGRB），占所有GRB總數(shù)的70%左右。盡管天文學(xué)家將其稱之為長(zhǎng)暴，但其持續(xù)時(shí)間也不過千秒的量級(jí)，最長(zhǎng)也長(zhǎng)不過一個(gè)小時(shí)，相比于其他的天文現(xiàn)象來說，真的是轉(zhuǎn)瞬即逝。如果我們把GRB的持續(xù)時(shí)間分布畫出來，我們就能看到以2秒為分界線的兩組分布，分別為sGRB和LGRB，可見這兩類GRB存在物理本質(zhì)上的差別，而不是人為隨意劃分的。圖3畫出了這兩種GRB的物理形成機(jī)制。雖然天文學(xué)家們就這樣的形成機(jī)制在理論上基本達(dá)成了共識(shí)，不過其中的很多物理細(xì)節(jié)仍舊是現(xiàn)在天體物理學(xué)研究的前沿課題。除此之外，最近人們還發(fā)現(xiàn)了一種光度更低的GRB，稱之為低光度伽瑪暴（low luminosity GRB，簡(jiǎn)稱llGRB）。

圖3 常見的兩種GRB：形成LGRB和sGRB的物理機(jī)制示意圖。GRB會(huì)釋放出一束集中的伽瑪光子束。在我們說觀測(cè)到GRB時(shí)，實(shí)際上是指：有GRB，且其釋放出的伽瑪光子束的方向正好朝向地球（觀測(cè)者）。（圖片來源：daviddarling.info）

圖片來源NASA

從強(qiáng)度上來看，長(zhǎng)暴釋放的能量最強(qiáng)，因此也最危險(xiǎn)，短暴其次，最后是低光度伽瑪暴（LGRB ＞ sGRB ＞ llGRB）。如果能計(jì)算出地球上或宇宙任意位置處被GRB照射的頻率，并在假設(shè)一定強(qiáng)度的GRB輻射能量能夠徹底地破壞地球臭氧層之后，我們就可以估算出該位置處的生命有多大的可能性因GRB而遭受滅頂之災(zāi)。從發(fā)生頻率上來說，低光度的GRB最容易發(fā)生，其次是跟雙致密星并合事件密切關(guān)聯(lián)的短暴（圖3），發(fā)生頻率最低的是長(zhǎng)暴。不過，事情并沒有那么簡(jiǎn)單。茨維·皮蘭和勞爾·吉梅內(nèi)斯還考慮到了GRB與金屬豐度（除氫和氦以外的其他元素的相對(duì)含量）的關(guān)系，因?yàn)镚RB更傾向于在金屬豐度比較低的環(huán)境中發(fā)生。

圖4 在茨維·皮蘭和勞爾·吉梅內(nèi)斯發(fā)表的論文中（https://journals.aps.org/prl/ accepted/55076Y9cJf11df30299b3896 3df3c39609d10bbc3），給出了距離銀河系中心不同位置處的生命因?yàn)殚L(zhǎng)、短暴（分別為黑色和綠色曲線）而發(fā)生滅絕事件的概率。雖然長(zhǎng)暴相比于短暴更加罕見，但因?yàn)槠淠芰恳叩枚?，因此綜合考慮，同一位置處，其能夠產(chǎn)生生命滅絕事件的概率會(huì)比短暴大。

結(jié)合GRB光度函數(shù)（描述不同光度的GRB在統(tǒng)計(jì)上分布性質(zhì)的函數(shù)）的最新研究，通過一定的數(shù)學(xué)定量計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)了一些有趣的事實(shí)。其中最主要的結(jié)論是GRB發(fā)生的頻率跟恒星數(shù)密度有明顯的正相關(guān)，換句話來說，就是恒星數(shù)密度越高的地方，發(fā)生GRB的可能性就越大。因此，根據(jù)銀河系中恒星的分布可知，越靠近銀河系中心恒星越密集，由此我們可以推論出，生命在銀河系外圍存在的概率要更大一些。圖4是論文中計(jì)算出距離銀河系中心不同位置處的生命因?yàn)殚L(zhǎng)、短暴而發(fā)生滅絕事件的概率。我們地球處于距離銀河系中心8kpc（kpc為千秒差距，是常用的天文距離單位，1kpc約為3260光年）的地方，按照?qǐng)D4給出的曲線，我們可以清楚地看到地球處于一個(gè)比較安全的區(qū)域，發(fā)生能夠?qū)е律鼫缃^事件的GRB的概率比較低。實(shí)際上，他們計(jì)算出了在十億年之間，地球被LGRB或者sGRB擊中且導(dǎo)致生命滅絕事件發(fā)生的概率，發(fā)現(xiàn)概率都基本接近于0。他們還估算出，在距離銀河系中心2kpc的區(qū)域內(nèi)，生命所處的行星在每十億年間被GRB擊中且強(qiáng)度達(dá)到足以產(chǎn)生滅絕事件的概率高達(dá)95%。這意味著在那里生命存活的時(shí)間基本無法超過十億年。

圖5 斯隆數(shù)字化巡天觀測(cè)到的星系在宇宙大尺度上的分布結(jié)構(gòu)，其中不同顏色代表了不同的星系數(shù)密度。從圖上可以清楚地看到絲狀和空洞的結(jié)構(gòu)。從一定的尺度上看，星系的分布是不均勻的。（圖片來源：UPenn）

此外，論文作者們還放眼于其他星系。我們銀河系所處的星際空間并不是那么擁擠，距離我們最近的星系是仙女座星系，此外還有大小麥哲倫云以及一些矮星系。實(shí)際上他們距離銀河系的距離都比較遠(yuǎn)。通過計(jì)算，作者發(fā)現(xiàn)這些鄰近的星系對(duì)于銀河系內(nèi)生命的影響微乎其微。同樣，對(duì)于在仙女座星系上的生命來說，銀河系和其他鄰近的星系對(duì)其的影響也都是微不足道的。之后作者們?cè)僖淮螖U(kuò)展視野，考慮了整個(gè)宇宙中生命存活環(huán)境的問題，即受到GRB事件影響而滅絕的概率。我們知道宇宙中的星系在大尺度上的分布具有一定的結(jié)構(gòu)，即“絲狀”和“空洞”等結(jié)構(gòu)（圖5）。簡(jiǎn)而言之，在某些區(qū)域，星系的密度更高，因此發(fā)生滅絕性GRB事件的概率更高。所以，生命更傾向存在于那些星系分布相對(duì)稀疏的區(qū)域，即圖5中偏暗的區(qū)域。

圖片來源：大口徑全天巡視望遠(yuǎn)鏡（LSST）團(tuán)組

當(dāng)然宇宙里星系分布的數(shù)密度不是一成不變的，這些星系的分布會(huì)隨著宇宙的演化而變化。在大爆炸理論框架下，早期宇宙的星系分布更加密集，這意味著恒星的數(shù)密度更大，對(duì)應(yīng)的發(fā)生滅絕性GRB事件的概率就更高。通過計(jì)算，作者們發(fā)現(xiàn)在宇宙誕生之后到其年齡為三億年間的這段時(shí)間中，生命是完全無法存活的。因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候的恒星數(shù)密度是如此之高，以致于發(fā)生致命GRB的頻率足夠高，進(jìn)而導(dǎo)致生命滅絕事件一定會(huì)發(fā)生。這也就意味著，宇宙中生命的起源時(shí)間不可能早于宇宙年齡為三億年的時(shí)刻。

茨維·皮蘭和勞爾·吉梅內(nèi)斯的這項(xiàng)科學(xué)工作不僅告訴了我們GRB對(duì)地球生命的實(shí)質(zhì)威脅，同時(shí)也給我們尋找地外文明時(shí)帶來了極大的啟發(fā)。這些研究結(jié)果告訴我們應(yīng)該將視野更多地集中到那些星系或者恒星數(shù)密度較低的區(qū)域。但不容否認(rèn)，這項(xiàng)工作里也存在著很多的假設(shè)和不確定性。比如作者在考慮多強(qiáng)的GRB可以導(dǎo)致生命滅絕時(shí)，參考了地球的臭氧層數(shù)據(jù)。但或許在宇宙中存在一些類型的生命，他們對(duì)高能射線的抵抗能力更強(qiáng)，因此相比于地球來說，更不容易受到GRB的影響。我們還可以再展開一下想象力，或許當(dāng)一個(gè)文明發(fā)展到一定階段，就會(huì)研發(fā)出抵抗來自GRB伽瑪射線的方法，那個(gè)時(shí)候，生命將徹底擺脫來自GRB的影響。當(dāng)然前提是，有足夠多的時(shí)間允許這些生命發(fā)展出如此高度的文明。