超新星引爆生命

趙洋

恒星爆炸形成“大寂靜”

天體生物學中有一種著名的說法叫做“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)當存在許多具有高度發(fā)達文明的智慧生命，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。”這個說法最早來自美國物理學家費米，因此也被稱為“費米佯謬”。

最近，一些科學家提出了一種新的設(shè)想，他們認為“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)生超強能量，影響范圍巨大，甚至可以影響遠在數(shù)千光年之外的天體。科學家們猜測，這種爆炸過程可能每數(shù)百萬年就會重復發(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90年代，只有爆炸能量相當于100倍超新星爆發(fā)的案例才會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自鎳的一種同位素衰變。而當兩顆同樣具有地球大小和體積的白矮星相互合并時，其發(fā)出的光芒則將更加驚人。這一過程還會產(chǎn)生一個“恒星級黑洞”。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，而當恒星的核聚變能源耗盡時，引力終將獲勝，此時恒星的坍縮將是不可避免的。

天體物理學家們的計算顯示，如果燃料耗盡，即將發(fā)生坍縮時，恒星仍然具有0.7倍左右的太陽質(zhì)量，則坍縮將最終導致其產(chǎn)生一個黑洞。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，不但地球生命會被這種爆發(fā)產(chǎn)生的強烈伽馬射線爆直接消滅，伽馬射線輻射還會使大氣中的氧氣和氮氣反應(yīng)產(chǎn)生氧化亞氮，這種化學物質(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輻射與宇宙射線之下。據(jù)推測，一顆近地超新星引起的伽馬射線暴有可能是造成奧陶紀-志留紀滅絕事件的原因，這造成了當時地球?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。但在更遠的距離上可能存在的極超巨星爆發(fā)，仍然有可能在未來對地球上的生命構(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3100萬千米。據(jù)估計，其中白矮星的質(zhì)量約為太陽的1.15倍，大約在幾百萬年后，白矮星將通過吸積增長到足夠的質(zhì)量，從而演化為一顆Ia型超新星。①

“小綠人”來電

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

早在1939年，美國物理學家奧本海默就提出：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^續(xù)收縮，原子和原子核均被擠碎，帶正電的質(zhì)子與帶負電的電子在強大引力作用下被結(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。

脈沖星為何會發(fā)射脈沖并被我們觀測到呢？設(shè)想一下，我們的地球仿佛是宇宙之海中的一葉扁舟。如果遠方有一座燈塔，它的燈光總在不停地勻速轉(zhuǎn)動，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，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？其實不然，要發(fā)出像脈沖星那樣的射電信號，需要很強的磁場。只有體積越小、質(zhì)量越大的恒星，它的磁場才越強。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。我們很熟悉的地球，自轉(zhuǎn)一周要二十四小時。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、星際有機分子一道，并稱為20世紀60年代天文學“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年的諾貝爾物理學獎，但不少人對貝爾小姐未能獲獎而頗有微詞。他們認為，在脈沖星的發(fā)現(xiàn)過程中，起關(guān)鍵作用的應(yīng)該是貝爾嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和極度細心的觀測。好在科學界并沒有忘記貝爾，自發(fā)現(xiàn)脈沖星以來，她已經(jīng)獲頒十幾項世界級科學獎。

超新星如何爆發(fā)

發(fā)現(xiàn)脈沖星后，天文學家開始梳理歷史上的超新星記載，果然在出現(xiàn)過超新星的位置，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)被宋朝的天文學家詳細記錄下來。《續(xù)資治通鑒長編》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。”日本人和美洲土著居民對這一奇異天象也有觀測記錄。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)時產(chǎn)生的激波會形成一個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間里，內(nèi)部都進行著氫→氦的熱核反應(yīng)。其中，氫是“燃料”，氦是“爐渣”，當燃料逐漸耗盡，堆積的只是大量爐渣時，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，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)進行，同時，外圍殼層中也在進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，無法繼續(xù)燃燒。這時的恒星由一個已停止熱核反應(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元素組成的正在燃燒著的同心層。

此時恒星內(nèi)部是一個同時進行著數(shù)百種熱核反應(yīng)的大熔爐，爐火越來越旺，溫度越來越高，各種強烈反應(yīng)的突發(fā)性也越來越強。

當熱核反應(yīng)達到極致的時候，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行，外層物質(zhì)將以超過4萬千米/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候，像是無數(shù)發(fā)猛烈的炮彈撞上了一堵無比堅硬的鐵壁，統(tǒng)統(tǒng)反彈回來，再與正向中心區(qū)塌縮的物質(zhì)遭遇，形成強烈的沖擊波，攜帶著極其巨大的能量，將整個恒星的大部分物質(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。

如果某個恒星的內(nèi)核質(zhì)量堪與太陽相比，那么在強大引力作用下，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大的表面重力，強度是地球的2×1011至 3×1012倍。如果一個體重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于兩億噸核爆的威力。

在這一過程中，垂死的恒星將回光返照般地釋放存于原子內(nèi)部的能量，其光輝將令一億個太陽相形見絀。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)過程中所突發(fā)的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個星系，同時會持續(xù)幾周至幾個月才逐漸衰減變?yōu)椴豢梢姟：阈峭ㄟ^爆炸，會將其大部分甚至幾乎所有物質(zhì)以高達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。

太陽質(zhì)量較小，不會有這般絢爛的結(jié)局。但在太陽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)，會給地球帶來怎樣的災(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)測定，它在6天的時間里發(fā)出的光相當于太陽在100萬年里的發(fā)光總量。好在這顆超新星離我們有一兩百萬光年之遙，強烈的光線到達地球時已經(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于太陽25萬年里發(fā)出能量的總和。好在這次爆炸發(fā)生的地點離地球足夠遠，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)生的沖擊波對高等生命而言是個噩夢，但對處于起源階段的生命來說，高能輻射卻提供了分子結(jié)合及DNA變異所需的能量。科學家研究發(fā)現(xiàn)，當太陽系隨著銀河系獵戶座旋臂圍繞著銀河系中心轉(zhuǎn)動時，曾經(jīng)掃過超新星爆發(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。

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

通過對地質(zhì)記錄的比較，科學家發(fā)現(xiàn)，超新星爆發(fā)率似乎與地球上生命蓬勃發(fā)展時間點有關(guān)，很大程度上塑造了生命條件。每當太陽攜帶著各大行星穿過銀河系中曾經(jīng)的恒星形成區(qū)時，超新星爆發(fā)就會顯得更加頻繁。為了進一步獲得生物學上的支持，科學家尋找史前數(shù)個時期的海洋生物化石，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脊椎動物化石都證實了這個推測。當時太陽系穿過超新星爆發(fā)的區(qū)域，地球海洋中的無脊椎動物便受到超新星爆發(fā)的強烈影響。與此同時，科學家對比了過去五億年的地質(zhì)和天文數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地球曾經(jīng)非常靠近超新星爆發(fā)影響區(qū)域。當太陽系附近的超新星出現(xiàn)頻率較高時，地球上生命的多樣性也達到較高的水平。

除了促使生命爆炸式增長之外，超新星爆炸還能產(chǎn)生一些對于地球生命至關(guān)重要的化學元素。德國慕尼黑工業(yè)大學的研究人員進行了一項實驗，他們對生活在海洋沉積層的趨磁性細菌進行了研究，發(fā)現(xiàn)這種特殊嗜鐵細菌能夠新陳代謝鐵元素形成氧化鐵微晶體四氧化三鐵。細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，這些鐵元素來自降落至海底的地球大氣層灰塵微粒，這些細菌新陳代謝的鐵元素有時就來自超新星爆炸殘骸。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，因此該時間段內(nèi)發(fā)現(xiàn)任何形式的鐵-60元素，都應(yīng)該來自超新星爆炸。科學家從取自太平洋海底沉積巖的遠古細菌化石中發(fā)現(xiàn)了鐵-60，地質(zhì)學分析表明，這些沉積巖形成于至170萬～330萬年前。對細菌化石的化學分析進一步顯示，其中的鐵-60可追溯至220萬年前。這與天文學家認定的一顆220萬年前爆炸的超新星在時間上吻合。

甚至地球萬物生長所依賴的太陽都可能是遠古超新星爆發(fā)的產(chǎn)物。科學家認為，太陽在45億年前形成時，附近有一顆巨大的恒星爆炸成為超新星。其沖擊波導致低密度的星際物質(zhì)聚合在一起，形成了原始的太陽星云。天文學家認為，這同樣能夠解釋為何人類生活的地球會成為一個溫暖、濕潤、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。它們在為星際物質(zhì)提供豐富的重元素的過程中起到了重要作用。同時，超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的激波也會壓縮附近的星際云，這是新的恒星誕生的重要啟動機制。超新星在爆發(fā)時釋放的射線，會使被輻射的生物加速變異過程。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，更具生命力和競爭力的全新物種也就誕生了。天文學家在銀河系中發(fā)現(xiàn)過不少超新星殘骸，它們在遙遠的地質(zhì)年代都發(fā)生過驚天動地的爆發(fā)，而且其輻射必然曾波及地球。這或許可以解釋在生命進化史上多次的物種滅絕和新物種爆發(fā)式增長現(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，在天文學上被稱為Ia型超新星。

【責任編輯：楊楓】endprint