超新星引爆生命

趙洋

恒星爆炸形成“大寂靜”

天體生物學(xué)中有一種著名的說(shuō)法叫做“大寂靜”，指的是“考慮到宇宙巨大的空間和極其古老的歷史，其中應(yīng)當(dāng)存在許多具有高度發(fā)達(dá)文明的智慧生命，但我們卻沒有找到任何相關(guān)的證據(jù)，這兩者之間似乎存在一種矛盾?！边@個(gè)說(shuō)法最早來(lái)自美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)米，因此也被稱為“費(fèi)米佯謬”。

最近，一些科學(xué)家提出了一種新的設(shè)想，他們認(rèn)為“大寂靜”與恒星的爆炸有關(guān)，正是這些爆炸摧毀了可能存在的外星生物。尤其是一種被稱作“白矮星極超新星爆發(fā)”的事件，甚至可能將整顆星球吸入黑洞。極超新星是極大質(zhì)量的恒星生命最后的華彩樂章，由于其爆炸產(chǎn)生超強(qiáng)能量，影響范圍巨大，甚至可以影響遠(yuǎn)在數(shù)千光年之外的天體。科學(xué)家們猜測(cè)，這種爆炸過(guò)程可能每數(shù)百萬(wàn)年就會(huì)重復(fù)發(fā)生數(shù)次，這樣就可能造成潛在的生命體被徹底摧毀。

直到上世紀(jì)90年代，只有爆炸能量相當(dāng)于100倍超新星爆發(fā)的案例才會(huì)被歸入極超新星爆發(fā)的范疇。但今天，這一情況已經(jīng)發(fā)生了改變。天文學(xué)家將所有極超巨星發(fā)生的爆發(fā)全部歸入極超新星的范疇。極超巨星是指具有極大質(zhì)量的恒星，一般其質(zhì)量數(shù)值介于100～300倍太陽(yáng)質(zhì)量之間。

極超新星爆發(fā)產(chǎn)生的明亮閃光很大程度上來(lái)自鎳的一種同位素衰變。而當(dāng)兩顆同樣具有地球大小和體積的白矮星相互合并時(shí)，其發(fā)出的光芒則將更加驚人。這一過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“恒星級(jí)黑洞”。這是由于引力坍縮引起的，原因就在于爆炸引發(fā)的強(qiáng)烈擠壓作用。

恒星的一生都處在引力和向外壓力的平衡之中，而當(dāng)恒星的核聚變能源耗盡時(shí)，引力終將獲勝，此時(shí)恒星的坍縮將是不可避免的。

天體物理學(xué)家們的計(jì)算顯示，如果燃料耗盡，即將發(fā)生坍縮時(shí)，恒星仍然具有0.7倍左右的太陽(yáng)質(zhì)量，則坍縮將最終導(dǎo)致其產(chǎn)生一個(gè)黑洞。而一旦在地球附近的空間發(fā)生極超新星爆發(fā)，結(jié)果將是災(zāi)難性的，不但地球生命會(huì)被這種爆發(fā)產(chǎn)生的強(qiáng)烈伽馬射線爆直接消滅，伽馬射線輻射還會(huì)使大氣中的氧氣和氮?dú)夥磻?yīng)產(chǎn)生氧化亞氮，這種化學(xué)物質(zhì)能摧毀地球大氣中的臭氧層，使地球表面暴露在有害的太陽(yáng)輻射與宇宙射線之下。據(jù)推測(cè)，一顆近地超新星引起的伽馬射線暴有可能是造成奧陶紀(jì)-志留紀(jì)滅絕事件的原因，這造成了當(dāng)時(shí)地球?qū)⒔?0%海洋生物的滅絕。

幸好在地球附近的空間并未發(fā)現(xiàn)任何極超巨星的存在。但在更遠(yuǎn)的距離上可能存在的極超巨星爆發(fā)，仍然有可能在未來(lái)對(duì)地球上的生命構(gòu)成傷害。

目前發(fā)現(xiàn)的距離地球最近的超新星候選者是飛馬座IK（HR 8210）。它距地球只有150光年，是由一顆主序星和一顆白矮星組成的密近雙星系統(tǒng)，兩者相距僅為3100萬(wàn)千米。據(jù)估計(jì)，其中白矮星的質(zhì)量約為太陽(yáng)的1.15倍，大約在幾百萬(wàn)年后，白矮星將通過(guò)吸積增長(zhǎng)到足夠的質(zhì)量，從而演化為一顆Ia型超新星。①

“小綠人”來(lái)電

1967年10月，劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的安東尼·休伊什教授的博士研究生——24歲的喬絲琳·貝爾在檢測(cè)射電望遠(yuǎn)鏡收到的信號(hào)時(shí)，無(wú)意中發(fā)現(xiàn)從狐貍座方向接收到一些有規(guī)律的脈沖信號(hào)，它們的周期十分穩(wěn)定，為1.337秒。貝爾小姐立刻把這個(gè)消息報(bào)告給導(dǎo)師，休伊什認(rèn)為這是受到了地球上某種電波的影響。但是，第二天，在同一時(shí)間、同一個(gè)天區(qū)，那個(gè)神秘的脈沖信號(hào)再次出現(xiàn)。這就表明這個(gè)奇怪的信號(hào)不是來(lái)自于地球，而是來(lái)自于天外。一開始，貝爾對(duì)此很困惑，甚至曾想到這可能是外星人在向地球發(fā)電報(bào)聯(lián)系，所以給這個(gè)脈沖源起名叫“小綠人一號(hào)”。但在接下來(lái)不到半年的時(shí)間里，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)這樣的脈沖信號(hào)，他們意識(shí)到這是一種自然發(fā)生的天文現(xiàn)象。1968年2月，貝爾和休伊什聯(lián)名在《自然》雜志上報(bào)告了新型天體——脈沖星的發(fā)現(xiàn)，并認(rèn)為脈沖星就是物理學(xué)家預(yù)言的超級(jí)致密的、引力強(qiáng)大的奇異天體，其半徑大約10千米。

早在1939年，美國(guó)物理學(xué)家奧本海默就提出：質(zhì)量很大的恒星由于其引力的巨大，將使它的最后歸宿不是變?yōu)榘装牵鼤?huì)繼續(xù)收縮，原子和原子核均被擠碎，帶正電的質(zhì)子與帶負(fù)電的電子在強(qiáng)大引力作用下被結(jié)合成中性的中子，其龐大星體收縮成為體積極小、質(zhì)量和密度極大的全部由中子構(gòu)成的星體——中子星。

脈沖星為何會(huì)發(fā)射脈沖并被我們觀測(cè)到呢？設(shè)想一下，我們的地球仿佛是宇宙之海中的一葉扁舟。如果遠(yuǎn)方有一座燈塔，它的燈光總在不停地勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，燈塔每轉(zhuǎn)一圈，由它窗口射出的燈光就射到“地球之舟”上一次。燈光不斷旋轉(zhuǎn)，在我們看來(lái)，光源就連續(xù)地一明一滅。脈沖星就是這樣的“燈塔”。它每自轉(zhuǎn)一周，地球就接收到一次它輻射的電磁波，于是就形成一斷一續(xù)的脈沖。脈沖星的這種現(xiàn)象，也就叫“燈塔效應(yīng)”。脈沖的周期其實(shí)就是脈沖星的自轉(zhuǎn)周期。

所有恒星都能發(fā)射脈沖嗎？其實(shí)不然，要發(fā)出像脈沖星那樣的射電信號(hào)，需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)。只有體積越小、質(zhì)量越大的恒星，它的磁場(chǎng)才越強(qiáng)。而中子星正是這樣高密度的恒星。

另一方面，恒星體積越大、質(zhì)量越大，它的自轉(zhuǎn)周期就越長(zhǎng)。我們很熟悉的地球，自轉(zhuǎn)一周要二十四小時(shí)。而脈沖星的自轉(zhuǎn)周期竟然小到0.001337秒！就連致密的白矮星，以這樣的高速自轉(zhuǎn)都會(huì)被撕裂。只有更為致密的中子星，才可能扮演高速旋轉(zhuǎn)的脈沖星角色。

脈沖星的發(fā)現(xiàn)與類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機(jī)分子一道，并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。休伊什教授也因脈沖星的發(fā)現(xiàn)而榮獲1974年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但不少人對(duì)貝爾小姐未能獲獎(jiǎng)而頗有微詞。他們認(rèn)為，在脈沖星的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，起關(guān)鍵作用的應(yīng)該是貝爾嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和極度細(xì)心的觀測(cè)。好在科學(xué)界并沒有忘記貝爾，自發(fā)現(xiàn)脈沖星以來(lái)，她已經(jīng)獲頒十幾項(xiàng)世界級(jí)科學(xué)獎(jiǎng)。

超新星如何爆發(fā)

發(fā)現(xiàn)脈沖星后，天文學(xué)家開始梳理歷史上的超新星記載，果然在出現(xiàn)過(guò)超新星的位置，都發(fā)現(xiàn)了脈沖星。其中，最有名的是“1054年超新星”。

1054年7月4日，距地球6500光年的一顆超新星爆發(fā)了。這次爆發(fā)被宋朝的天文學(xué)家詳細(xì)記錄下來(lái)。《續(xù)資治通鑒長(zhǎng)編》中這樣寫道：“至和元年五月己酉，客星晨出天關(guān)之東南，可數(shù)寸，嘉祐元年三月乃沒?！比毡救撕兔乐尥林用駥?duì)這一奇異天象也有觀測(cè)記錄。在超新星爆發(fā)的頭二十三天，即使在白晝都可以看到它，其亮度如金星一般。直到一年多以后，這顆超新星才消失不見。超新星爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的激波會(huì)形成一個(gè)膨脹的氣體和塵埃構(gòu)成的殼狀結(jié)構(gòu)，這被稱作超新星遺跡。1054年超新星爆發(fā)的遺跡就是著名的蟹狀星云。endprint

超新星的爆炸是如何發(fā)生的呢？

大質(zhì)量恒星在大部分生命時(shí)間里，內(nèi)部都進(jìn)行著氫→氦的熱核反應(yīng)。其中，氫是“燃料”，氦是“爐渣”，當(dāng)燃料逐漸耗盡，堆積的只是大量爐渣時(shí)，氫→氦熱核反應(yīng)便不能維持下去，大質(zhì)量恒星也走向了晚年。

在晚年時(shí)，大質(zhì)量恒星的核心部分的氫燃料已經(jīng)逐漸燃燒完畢，但由于總質(zhì)量巨大，碳燃燒得以平穩(wěn)進(jìn)行，同時(shí)，外圍殼層中也在進(jìn)行著氖燃燒和氫燃燒。

鐵是恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)最后的爐渣，無(wú)法繼續(xù)燃燒。這時(shí)的恒星由一個(gè)已停止熱核反應(yīng)的等離子態(tài)鐵質(zhì)核心和仍在分層燃燒的多層外殼組成，體積膨脹為紅超巨星，猶如一只“巨型洋蔥頭”，包含著許多由不同化學(xué)元素組成的正在燃燒著的同心層。

此時(shí)恒星內(nèi)部是一個(gè)同時(shí)進(jìn)行著數(shù)百種熱核反應(yīng)的大熔爐，爐火越來(lái)越旺，溫度越來(lái)越高，各種強(qiáng)烈反應(yīng)的突發(fā)性也越來(lái)越強(qiáng)。

當(dāng)熱核反應(yīng)達(dá)到極致的時(shí)候，星核迅速坍縮。一旦外圍各層的熱核反應(yīng)也都因燃料的枯竭而停止進(jìn)行，外層物質(zhì)將以超過(guò)4萬(wàn)千米/秒的速度向中心區(qū)坍縮。大量物質(zhì)與高度致密的核心遭遇的時(shí)候，像是無(wú)數(shù)發(fā)猛烈的炮彈撞上了一堵無(wú)比堅(jiān)硬的鐵壁，統(tǒng)統(tǒng)反彈回來(lái)，再與正向中心區(qū)塌縮的物質(zhì)遭遇，形成強(qiáng)烈的沖擊波，攜帶著極其巨大的能量，將整個(gè)恒星的大部分物質(zhì)炸成齏粉，成為壯烈輝煌的超新星。

超新星爆發(fā)以后，大部分外層物質(zhì)解體為向外膨脹擴(kuò)散的氣體和塵埃星云，核心部分遺留下一顆高度致密的天體——中子星或黑洞，大質(zhì)量恒星的一生于是畫上了休止符。

如果某個(gè)恒星的內(nèi)核質(zhì)量堪與太陽(yáng)相比，那么在強(qiáng)大引力作用下，一秒鐘就可以從地球的大小坍縮為半徑10千米大小。最后它將以接近光速的速度崩塌，原子都被壓碎，原子核外的電子被壓入原子核，正負(fù)電荷抵消，恒星的殘骸以一種中性不帶電的中子狀態(tài)存在。一顆典型的中子星質(zhì)量介于太陽(yáng)質(zhì)量的1.35到2.1倍，半徑則在10至20千米之間，密度在每立方厘米8×1013克至2×1015克間。中子星的高密度也使它有強(qiáng)大的表面重力，強(qiáng)度是地球的2×1011至 3×1012倍。如果一個(gè)體重70千克的人向中子星跌落，他撞擊到中子星表面的能量將相當(dāng)于兩億噸核爆的威力。

在這一過(guò)程中，垂死的恒星將回光返照般地釋放存于原子內(nèi)部的能量，其光輝將令一億個(gè)太陽(yáng)相形見絀。這就是超新星爆發(fā)，宇宙中最輝煌的焰火。超新星爆發(fā)極其劇烈，爆發(fā)過(guò)程中所突發(fā)的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個(gè)星系，同時(shí)會(huì)持續(xù)幾周至幾個(gè)月才逐漸衰減變?yōu)椴豢梢?。恒星通過(guò)爆炸，會(huì)將其大部分甚至幾乎所有物質(zhì)以高達(dá)十分之一光速的速度向外拋散，并向周圍的星際物質(zhì)輻射激波。

太陽(yáng)質(zhì)量較小，不會(huì)有這般絢爛的結(jié)局。但在太陽(yáng)系廁身其間的銀河系，卻有一些具備成為超新星潛質(zhì)的恒星。這樣的超新星爆發(fā)，會(huì)給地球帶來(lái)怎樣的災(zāi)難呢？1885年在仙女座星云附近發(fā)現(xiàn)了一顆超新星。據(jù)測(cè)定，它在6天的時(shí)間里發(fā)出的光相當(dāng)于太陽(yáng)在100萬(wàn)年里的發(fā)光總量。好在這顆超新星離我們有一兩百萬(wàn)光年之遙，強(qiáng)烈的光線到達(dá)地球時(shí)已經(jīng)變得非常微弱。

2004年12月27日，人馬座方向的一顆超新星突然爆發(fā)，短短0.2秒內(nèi)，其釋放出的伽馬射線相當(dāng)于太陽(yáng)25萬(wàn)年里發(fā)出能量的總和。好在這次爆炸發(fā)生的地點(diǎn)離地球足夠遠(yuǎn)，就像在別人家的后院，假如發(fā)生在隔壁，那人類的麻煩就大了。如果這顆超新星距離地球在10光年以內(nèi)，這樣強(qiáng)度的爆炸足以毀滅地球上所有物種。

激活地球生命

超新星爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)高等生命而言是個(gè)噩夢(mèng)，但對(duì)處于起源階段的生命來(lái)說(shuō)，高能輻射卻提供了分子結(jié)合及DNA變異所需的能量?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽(yáng)系隨著銀河系獵戶座旋臂圍繞著銀河系中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曾經(jīng)掃過(guò)超新星爆發(fā)的區(qū)域，使得地球被沐浴在各種高能輻射之中，正是有了這些能量激活，地球上的生命才發(fā)生了爆炸式的增長(zhǎng)。

如同樹木的年輪可以反映環(huán)境變遷一樣，某些生命的進(jìn)化也能反映出天體的演化。當(dāng)超新星爆發(fā)時(shí)，其周圍太空中可能的生命進(jìn)程也會(huì)蓬勃發(fā)展。太陽(yáng)系足夠接近一顆超新星時(shí)，爆發(fā)產(chǎn)生的宇宙射線就會(huì)“沖刷”地球。

通過(guò)對(duì)地質(zhì)記錄的比較，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，超新星爆發(fā)率似乎與地球上生命蓬勃發(fā)展時(shí)間點(diǎn)有關(guān)，很大程度上塑造了生命條件。每當(dāng)太陽(yáng)攜帶著各大行星穿過(guò)銀河系中曾經(jīng)的恒星形成區(qū)時(shí)，超新星爆發(fā)就會(huì)顯得更加頻繁。為了進(jìn)一步獲得生物學(xué)上的支持，科學(xué)家尋找史前數(shù)個(gè)時(shí)期的海洋生物化石，從中發(fā)現(xiàn)了與超新星爆發(fā)相關(guān)的痕跡，蝦類、章魚或已經(jīng)滅絕的三葉蟲和鸚鵡螺等無(wú)脊椎動(dòng)物化石都證實(shí)了這個(gè)推測(cè)。當(dāng)時(shí)太陽(yáng)系穿過(guò)超新星爆發(fā)的區(qū)域，地球海洋中的無(wú)脊椎動(dòng)物便受到超新星爆發(fā)的強(qiáng)烈影響。與此同時(shí)，科學(xué)家對(duì)比了過(guò)去五億年的地質(zhì)和天文數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地球曾經(jīng)非?？拷滦潜l(fā)影響區(qū)域。當(dāng)太陽(yáng)系附近的超新星出現(xiàn)頻率較高時(shí)，地球上生命的多樣性也達(dá)到較高的水平。

除了促使生命爆炸式增長(zhǎng)之外，超新星爆炸還能產(chǎn)生一些對(duì)于地球生命至關(guān)重要的化學(xué)元素。德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他們對(duì)生活在海洋沉積層的趨磁性細(xì)菌進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這種特殊嗜鐵細(xì)菌能夠新陳代謝鐵元素形成氧化鐵微晶體四氧化三鐵。細(xì)菌制造氧化鐵晶體的現(xiàn)象非常普遍，它們的尺寸約80納米，這些鐵元素來(lái)自降落至海底的地球大氣層灰塵微粒，這些細(xì)菌新陳代謝的鐵元素有時(shí)就來(lái)自超新星爆炸殘骸。同位素鐵-60幾乎全部形成于超新星爆炸，在260萬(wàn)年的半衰期內(nèi)，任何地球上的鐵-60都不是在地球上形成的，因此該時(shí)間段內(nèi)發(fā)現(xiàn)任何形式的鐵-60元素，都應(yīng)該來(lái)自超新星爆炸?？茖W(xué)家從取自太平洋海底沉積巖的遠(yuǎn)古細(xì)菌化石中發(fā)現(xiàn)了鐵-60，地質(zhì)學(xué)分析表明，這些沉積巖形成于至170萬(wàn)～330萬(wàn)年前。對(duì)細(xì)菌化石的化學(xué)分析進(jìn)一步顯示，其中的鐵-60可追溯至220萬(wàn)年前。這與天文學(xué)家認(rèn)定的一顆220萬(wàn)年前爆炸的超新星在時(shí)間上吻合。

甚至地球萬(wàn)物生長(zhǎng)所依賴的太陽(yáng)都可能是遠(yuǎn)古超新星爆發(fā)的產(chǎn)物?？茖W(xué)家認(rèn)為，太陽(yáng)在45億年前形成時(shí)，附近有一顆巨大的恒星爆炸成為超新星。其沖擊波導(dǎo)致低密度的星際物質(zhì)聚合在一起，形成了原始的太陽(yáng)星云。天文學(xué)家認(rèn)為，這同樣能夠解釋為何人類生活的地球會(huì)成為一個(gè)溫暖、濕潤(rùn)、充滿綠色植物的世界。超新星爆發(fā)所釋放出的放射性物質(zhì)衰變所產(chǎn)生的能量可能產(chǎn)生了形成地球所需的物質(zhì)，并決定了今天地球上的水量。

由此可見，超新星并不完全是生命的終結(jié)者。它們?cè)跒樾请H物質(zhì)提供豐富的重元素的過(guò)程中起到了重要作用。同時(shí)，超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的激波也會(huì)壓縮附近的星際云，這是新的恒星誕生的重要啟動(dòng)機(jī)制。超新星在爆發(fā)時(shí)釋放的射線，會(huì)使被輻射的生物加速變異過(guò)程。變異有好有壞，不良變異被自然淘汰，好的變異一代代遺傳下來(lái)，更具生命力和競(jìng)爭(zhēng)力的全新物種也就誕生了。天文學(xué)家在銀河系中發(fā)現(xiàn)過(guò)不少超新星殘骸，它們?cè)谶b遠(yuǎn)的地質(zhì)年代都發(fā)生過(guò)驚天動(dòng)地的爆發(fā)，而且其輻射必然曾波及地球。這或許可以解釋在生命進(jìn)化史上多次的物種滅絕和新物種爆發(fā)式增長(zhǎng)現(xiàn)象。

① Ia型超新星是變星的子分類中，由白矮星產(chǎn)生劇烈爆炸結(jié)果的激變變星。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)“僵尸”恒星構(gòu)成的雙星系統(tǒng)周圍出現(xiàn)不明物質(zhì)濺落，認(rèn)為這是一把通向暗能量之謎的鑰匙。這類超新星是宇宙中極為特殊的一類天體，在天文學(xué)上被稱為Ia型超新星。

【責(zé)任編輯：楊楓】endprint