暗物質(zhì)、超新星與伽馬射線：銀河系的危險(xiǎn)

銀河系只是宇宙中數(shù)以千億的星系中普通的一個(gè)，正如人類生存所依賴的太陽，也只是銀河系中數(shù)以千億的恒星中無奇的一個(gè)。人類早就意識(shí)到了銀河的存在，因?yàn)樵谝箍罩兴缫粭l由星星組成的細(xì)長的河流，因此得名。只是古人不曾意識(shí)到，我們自己也居住在這銀河之中，并且如其他所有星系一樣，銀河系中也充滿了不可預(yù)知的危險(xiǎn)。

暗物質(zhì)

多年來人類探索暗物質(zhì)的研究始終進(jìn)展不大，世界眾多或埋在地下深處，或設(shè)在太空中的花費(fèi)巨大的暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)大多都空手而歸。從20世紀(jì)30年代起，天文學(xué)家在進(jìn)行宇宙觀測時(shí)通過引力作用發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)，但幾十年過去了，人類至今仍然不知道暗物質(zhì)最基本的構(gòu)成方式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。除了建立各種理論模型和假說，人們至今只是通過觀測，確定了暗物質(zhì)占到全宇宙的26.8%，同樣顯得撲朔迷離的暗能量占到宇宙的68.3%，而我們能夠感知到的普通物質(zhì)則僅占到宇宙的4.9%。目前暗物質(zhì)與暗能量研究已經(jīng)成為宇宙學(xué)研究中最熱門的兩個(gè)課題，這也給理論物理學(xué)家們提供了充分發(fā)揮想象力的空間。

2014年11月21日，一位科學(xué)家身處正在建設(shè)中的英國地下1400米深的實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)歐洲第二深的實(shí)驗(yàn)室用于天體物理學(xué)、氣候變化和暗物質(zhì)探測等方面的研究

隨著暗物質(zhì)探測的一再受挫，有理論物理學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)可能根本就不存在，我們之所以會(huì)以為有暗物質(zhì)，是因?yàn)槲覀儗τ谟钪娴睦斫庥姓`，人類需要重新認(rèn)識(shí)引力作用，如果我們對目前的宇宙模型進(jìn)行某種修正，就完全可以消除其中暗物質(zhì)的因素。但哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)家、被認(rèn)為最有可能獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女科學(xué)家麗莎·藍(lán)道爾（Lisa Randall）不這樣想，她認(rèn)為暗物質(zhì)確實(shí)存在，而且它的存在還可能威脅到了地球的安全，6600萬年以前恐龍的滅絕可能正是與暗物質(zhì)有關(guān)——她為此還寫了一本介紹物理學(xué)的暢銷書《暗物質(zhì)與恐龍：宇宙中驚人的關(guān)聯(lián)性》（Dark Matter and the Dinosaurs：The Astounding Interconnectedness of the Universe）來闡述自己的觀點(diǎn)。

扁平圓盤形狀的銀河系，寬度大約有13萬光年，在圓盤中心的厚度則大約是2000光年。太陽系在這個(gè)圓盤的邊緣，圍繞著銀河系進(jìn)行“公轉(zhuǎn)”，大約每2.5億年會(huì)繞行銀河系的圓盤一周。這種公轉(zhuǎn)還伴以上下的波動(dòng)，大約每3000萬年會(huì)穿越一次銀河系的圓盤。問題在于，銀河系的圓盤可能同樣也是暗物質(zhì)聚集的區(qū)域。雖然暗物質(zhì)與普通物質(zhì)并不經(jīng)常發(fā)生相互作用，即使穿越暗物質(zhì)，地球生物也可能無知無覺，但是暗物質(zhì)的引力作用對于太陽系和地球的影響卻不可忽視。

藍(lán)道爾教授認(rèn)為，每3000萬年穿越一次銀河系的暗物質(zhì)，由于引力的作用，很可能會(huì)牽引太陽系邊緣的彗星和小行星進(jìn)入太陽系內(nèi)部，最終撞擊地球。不僅如此，暗物質(zhì)在穿越地球的核心區(qū)域時(shí)，引力作用同樣會(huì)直接作用于地球，大幅度提高地球內(nèi)部的溫度，從而導(dǎo)致更加劇烈頻繁的火山爆發(fā)、磁極翻轉(zhuǎn)、海平面上升——所有這些因素加在一起，就足以造成地球生物的周期性滅絕。

超新星爆發(fā)

從某種意義上來說，我們都是超新星爆發(fā)的產(chǎn)物。在宇宙中，氫、氦兩種元素占到普通物質(zhì)總量的98%，但僅憑這兩種元素?zé)o法形成地球上豐富復(fù)雜的生命，甚至無法形成地球。宇宙中大多數(shù)比氧元素更重的元素，都是來自超新星爆發(fā)，太陽系中富含金屬元素，可能也正是源于在太陽系形成之前，附近的幾次超新星爆發(fā)。但是在太陽系形成之后，遠(yuǎn)離超新星爆發(fā)，可能正是地球上的生命得以存在的關(guān)鍵因素。因?yàn)橐淮巫銐蚪某滦潜l(fā)，就足以毀掉整個(gè)太陽系。

超新星爆發(fā)是恒星的爆炸。在雙星系統(tǒng)中當(dāng)一顆碳氧白矮星從它的伴星那里不停地獲取質(zhì)量，達(dá)到某一個(gè)極限時(shí)，白矮星就會(huì)發(fā)生超新星爆發(fā);當(dāng)一顆恒星走到生命的盡頭，自身的核燃料燃燒殆盡，它的質(zhì)量會(huì)開始向恒星中心轉(zhuǎn)移，直到中心的物質(zhì)密度過高，無法承受自身引力時(shí)，也可能發(fā)生超新星爆發(fā)。人類觀測到的超新星爆發(fā)大多發(fā)生在銀河系之外，在銀河系內(nèi)，可能是由于宇宙塵埃的阻礙，反而不容易觀測到超新星爆發(fā)。上一次還是由德國天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開普勒（Johannes Kepler）在1604年觀測到了在銀河系內(nèi)部發(fā)生的超新星爆發(fā)，當(dāng)時(shí)那顆位于蛇夫座的超新星距離地球1.3萬光年。

一顆被命名為仙后座A的超新星爆炸后的“殘骸”（攝于2006年8月29日）

超新星對于人類的天文學(xué)研究有重要意義，天文學(xué)家通過觀測某種特殊的超新星來判斷一些遙遠(yuǎn)的天體與地球的距離，它們因此被稱作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”（standard candle）。但超新星爆發(fā)并不一定總是發(fā)生在遠(yuǎn)離地球的地方：地球上本沒有一種鐵的同位素“鐵-60”，只在月球土壤中發(fā)現(xiàn)過這種同位素，但是在1999年，一些物理學(xué)家在大約500萬年以前形成的地球地層中發(fā)現(xiàn)了大量的鐵-60同位素，這說明大約在700萬年和200萬年之前，有兩次距離地球大約320光年的超新星爆發(fā)的產(chǎn)物到達(dá)了地球。如果超新星爆發(fā)距離地球更近一些，就可以產(chǎn)生大量的高能宇宙射線，在到達(dá)地球時(shí)與大氣層中的分子相撞，產(chǎn)生出的粒子會(huì)傷害人類的細(xì)胞和DNA，造成基因突變，增加人類患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)，更多的宇宙射線則足以摧毀地球的臭氧層，并且改變大氣層的化學(xué)成分，帶來更大的危險(xiǎn)。

根據(jù)天文學(xué)家估計(jì)，在過去的1100萬年里，在距離地球420光年以內(nèi)的范圍里曾經(jīng)發(fā)生過20次超新星爆發(fā)，這些爆發(fā)足以在地球上留下化石痕跡，并且可能對于生物的進(jìn)化產(chǎn)生影響。盡管目前還沒有任何證據(jù)證明超新星爆發(fā)促成了地球上的任何一次物種滅絕，但是根據(jù)估算，如果在地球30光年以內(nèi)的范圍里發(fā)生超新星爆發(fā)，足以對地球生物造成滅絕性的后果。幸運(yùn)的是，在這個(gè)范圍內(nèi)并沒有太多恒星足以對地球造成威脅。

伽馬射線爆發(fā)

在宇宙中論起天體活動(dòng)的激烈程度，和伽馬射線爆發(fā)相比，超新星爆發(fā)只能算是小巫見大巫。天文學(xué)家們時(shí)?？梢员O(jiān)測到宇宙深處發(fā)生的伽馬射線爆發(fā)，從持續(xù)幾微秒到幾小時(shí)，時(shí)間和強(qiáng)度各不相同。造成伽馬射線爆發(fā)的原因可能各不相同，有些是因?yàn)楹阈潜ㄔ斐桑灿行┏瑥?qiáng)伽馬射線爆發(fā)的原因至今不明。同樣幸運(yùn)的是，這些天體活動(dòng)也都距離地球極為遙遠(yuǎn)。

當(dāng)質(zhì)量極大的恒星到了生命盡頭，它的內(nèi)部會(huì)塌縮為黑洞，同時(shí)會(huì)在恒星兩極噴射出能量極高、方向性極強(qiáng)的伽馬射線。電腦模擬顯示，即使是在數(shù)千光年之外的一次伽馬射線爆發(fā)射向地球，也可能導(dǎo)致地球大氣層的臭氧層消耗，大氣層中化學(xué)成分改變，酸雨和氣溫大幅降低。有科學(xué)家認(rèn)為，在銀河系的一個(gè)懸臂上，一次距離地球6000光年的伽馬射線爆發(fā)可能就是造成4.4億年前地球上85%的海洋生物消失的奧陶紀(jì)-志留紀(jì)滅絕事件發(fā)生，地球隨后進(jìn)入冰河期的主要原因——問題在于小行星撞擊也有可能導(dǎo)致同樣的后果，而且在地球也曾經(jīng)有過沒有發(fā)生物種大滅絕的冰河期。

伽馬射線爆發(fā)一旦襲擊地球，對于海洋生物的影響可能會(huì)非常嚴(yán)重。最初到達(dá)的伽馬射線可能會(huì)剝離空氣分子中的電子，這些自由電子進(jìn)而會(huì)激發(fā)其他空氣分子發(fā)射出紫外線。在實(shí)驗(yàn)中，伽馬射線爆發(fā)所激發(fā)的紫外線可以穿透75米的純凈海水，摧毀一種海洋浮游植物進(jìn)行光合作用所必需的酶。海洋中進(jìn)行光合作用的浮游植物不僅消化了大氣層中大量的二氧化碳，也是海洋食物鏈中的重要一環(huán)，如果這些植物消失，所有海洋生物都會(huì)面臨滅絕的危險(xiǎn)。

稍微令人感到安心的是，在銀河系中并不經(jīng)常發(fā)生伽馬射線爆發(fā)，原因之一可能是銀河系是一個(gè)富含金屬元素的星系，而伽馬射線爆發(fā)經(jīng)常發(fā)生在缺少金屬元素的環(huán)境中。目前，有很多天文學(xué)家正饒有興趣地關(guān)注著距離地球8000光年之外的一顆正在演化的大質(zhì)量沃爾夫-拉葉星（Wolf-Rayet star）“WR 104”。這個(gè)在1998年被人類發(fā)現(xiàn)的天體處于一個(gè)雙星系統(tǒng)中，天文學(xué)家們認(rèn)為它在50萬年之內(nèi)隨時(shí)都有可能發(fā)生超新星爆發(fā)，并造成伽馬射線爆發(fā)。恒星爆炸時(shí)會(huì)在兩極形成噴流，而它所處的角度有可能對地球造成危害。

有些電腦模型顯示，地球每10億年可能就會(huì)遭受一次強(qiáng)烈的伽馬射線爆發(fā)，但是地球在短期內(nèi)遭受伽馬射線爆發(fā)襲擊的可能性微乎其微。美國航空航天局利用費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行研究的天體物理學(xué)家大衛(wèi)·湯普森（David Thompson）曾經(jīng)形容地球被一次強(qiáng)烈的伽馬射線爆發(fā)襲擊的可能性，大概相當(dāng)于他在自家的衣櫥里發(fā)現(xiàn)一只北極熊——這種可能性雖然存在，但是并不值得太過擔(dān)心。