暗物质、超新星与伽马射线:银河系的危险

17-01-11

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暗物质、超新星与伽马射线:银河系的危险

银河系只是宇宙中数以千亿的星系中普通的一个,正如人类生存所依赖的太阳,也只是银河系中数以千亿的恒星中无奇的一个。人类早就意识到了银河的存在,因为在夜空中它如一条由星星组成的细长的河流,因此得名。只是古人不曾意识到,我们自己也居住在这银河之中,并且如其他所有星系一样,银河系中也充满了不可预知的危险。
暗物质

多年来人类探索暗物质的研究始终进展不大,世界众多或埋在地下深处,或设在太空中的花费巨大的暗物质探测实验大多都空手而归。从20世纪30年代起,天文学家在进行宇宙观测时通过引力作用发现了暗物质存在的证据,但几十年过去了,人类至今仍然不知道暗物质最基本的构成方式和运动规律。除了建立各种理论模型和假说,人们至今只是通过观测,确定了暗物质占到全宇宙的26.8%,同样显得扑朔迷离的暗能量占到宇宙的68.3%,而我们能够感知到的普通物质则仅占到宇宙的4.9%。目前暗物质与暗能量研究已经成为宇宙学研究中最热门的两个课题,这也给理论物理学家们提供了充分发挥想象力的空间。

2014年11月21日,一位科学家身处正在建设中的英国地下1400米深的实验室。这个欧洲第二深的实验室用于天体物理学、气候变化和暗物质探测等方面的研究
随着暗物质探测的一再受挫,有理论物理学家认为暗物质可能根本就不存在,我们之所以会以为有暗物质,是因为我们对于宇宙的理解有误,人类需要重新认识引力作用,如果我们对目前的宇宙模型进行某种修正,就完全可以消除其中暗物质的因素。但哈佛大学的理论物理学家、被认为最有可能获得诺贝尔物理学奖的女科学家丽莎·蓝道尔(Lisa Randall)不这样想,她认为暗物质确实存在,而且它的存在还可能威胁到了地球的安全,6600万年以前恐龙的灭绝可能正是与暗物质有关——她为此还写了一本介绍物理学的畅销书《暗物质与恐龙:宇宙中惊人的关联性》(Dark Matter and the Dinosaurs:The Astounding Interconnectedness of the Universe)来阐述自己的观点。
扁平圆盘形状的银河系,宽度大约有13万光年,在圆盘中心的厚度则大约是2000光年。太阳系在这个圆盘的边缘,围绕着银河系进行“公转”,大约每2.5亿年会绕行银河系的圆盘一周。这种公转还伴以上下的波动,大约每3000万年会穿越一次银河系的圆盘。问题在于,银河系的圆盘可能同样也是暗物质聚集的区域。虽然暗物质与普通物质并不经常发生相互作用,即使穿越暗物质,地球生物也可能无知无觉,但是暗物质的引力作用对于太阳系和地球的影响却不可忽视。
蓝道尔教授认为,每3000万年穿越一次银河系的暗物质,由于引力的作用,很可能会牵引太阳系边缘的彗星和小行星进入太阳系内部,最终撞击地球。不仅如此,暗物质在穿越地球的核心区域时,引力作用同样会直接作用于地球,大幅度提高地球内部的温度,从而导致更加剧烈频繁的火山爆发、磁极翻转、海平面上升——所有这些因素加在一起,就足以造成地球生物的周期性灭绝。
超新星爆发

从某种意义上来说,我们都是超新星爆发的产物。在宇宙中,氢、氦两种元素占到普通物质总量的98%,但仅凭这两种元素无法形成地球上丰富复杂的生命,甚至无法形成地球。宇宙中大多数比氧元素更重的元素,都是来自超新星爆发,太阳系中富含金属元素,可能也正是源于在太阳系形成之前,附近的几次超新星爆发。但是在太阳系形成之后,远离超新星爆发,可能正是地球上的生命得以存在的关键因素。因为一次足够近的超新星爆发,就足以毁掉整个太阳系。
超新星爆发是恒星的爆炸。在双星系统中当一颗碳氧白矮星从它的伴星那里不停地获取质量,达到某一个极限时,白矮星就会发生超新星爆发;当一颗恒星走到生命的尽头,自身的核燃料燃烧殆尽,它的质量会开始向恒星中心转移,直到中心的物质密度过高,无法承受自身引力时,也可能发生超新星爆发。人类观测到的超新星爆发大多发生在银河系之外,在银河系内,可能是由于宇宙尘埃的阻碍,反而不容易观测到超新星爆发。上一次还是由德国天文学家约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)在1604年观测到了在银河系内部发生的超新星爆发,当时那颗位于蛇夫座的超新星距离地球1.3万光年。

一颗被命名为仙后座A的超新星爆炸后的“残骸”(摄于2006年8月29日)
超新星对于人类的天文学研究有重要意义,天文学家通过观测某种特殊的超新星来判断一些遥远的天体与地球的距离,它们因此被称作“标准烛光”(standard candle)。但超新星爆发并不一定总是发生在远离地球的地方:地球上本没有一种铁的同位素“铁-60”,只在月球土壤中发现过这种同位素,但是在1999年,一些物理学家在大约500万年以前形成的地球地层中发现了大量的铁-60同位素,这说明大约在700万年和200万年之前,有两次距离地球大约320光年的超新星爆发的产物到达了地球。如果超新星爆发距离地球更近一些,就可以产生大量的高能宇宙射线,在到达地球时与大气层中的分子相撞,产生出的粒子会伤害人类的细胞和DNA,造成基因突变,增加人类患癌症的风险,更多的宇宙射线则足以摧毁地球的臭氧层,并且改变大气层的化学成分,带来更大的危险。
根据天文学家估计,在过去的1100万年里,在距离地球420光年以内的范围里曾经发生过20次超新星爆发,这些爆发足以在地球上留下化石痕迹,并且可能对于生物的进化产生影响。尽管目前还没有任何证据证明超新星爆发促成了地球上的任何一次物种灭绝,但是根据估算,如果在地球30光年以内的范围里发生超新星爆发,足以对地球生物造成灭绝性的后果。幸运的是,在这个范围内并没有太多恒星足以对地球造成威胁。
伽马射线爆发

在宇宙中论起天体活动的激烈程度,和伽马射线爆发相比,超新星爆发只能算是小巫见大巫。天文学家们时常可以监测到宇宙深处发生的伽马射线爆发,从持续几微秒到几小时,时间和强度各不相同。造成伽马射线爆发的原因可能各不相同,有些是因为恒星爆炸造成,也有些超强伽马射线爆发的原因至今不明。同样幸运的是,这些天体活动也都距离地球极为遥远。
当质量极大的恒星到了生命尽头,它的内部会塌缩为黑洞,同时会在恒星两极喷射出能量极高、方向性极强的伽马射线。电脑模拟显示,即使是在数千光年之外的一次伽马射线爆发射向地球,也可能导致地球大气层的臭氧层消耗,大气层中化学成分改变,酸雨和气温大幅降低。有科学家认为,在银河系的一个悬臂上,一次距离地球6000光年的伽马射线爆发可能就是造成4.4亿年前地球上85%的海洋生物消失的奥陶纪-志留纪灭绝事件发生,地球随后进入冰河期的主要原因——问题在于小行星撞击也有可能导致同样的后果,而且在地球也曾经有过没有发生物种大灭绝的冰河期。
伽马射线爆发一旦袭击地球,对于海洋生物的影响可能会非常严重。最初到达的伽马射线可能会剥离空气分子中的电子,这些自由电子进而会激发其他空气分子发射出紫外线。在实验中,伽马射线爆发所激发的紫外线可以穿透75米的纯净海水,摧毁一种海洋浮游植物进行光合作用所必需的酶。海洋中进行光合作用的浮游植物不仅消化了大气层中大量的二氧化碳,也是海洋食物链中的重要一环,如果这些植物消失,所有海洋生物都会面临灭绝的危险。
稍微令人感到安心的是,在银河系中并不经常发生伽马射线爆发,原因之一可能是银河系是一个富含金属元素的星系,而伽马射线爆发经常发生在缺少金属元素的环境中。目前,有很多天文学家正饶有兴趣地关注着距离地球8000光年之外的一颗正在演化的大质量沃尔夫-拉叶星(Wolf-Rayet star)“WR 104”。这个在1998年被人类发现的天体处于一个双星系统中,天文学家们认为它在50万年之内随时都有可能发生超新星爆发,并造成伽马射线爆发。恒星爆炸时会在两极形成喷流,而它所处的角度有可能对地球造成危害。
有些电脑模型显示,地球每10亿年可能就会遭受一次强烈的伽马射线爆发,但是地球在短期内遭受伽马射线爆发袭击的可能性微乎其微。美国航空航天局利用费米伽马射线空间望远镜进行研究的天体物理学家大卫·汤普森(David Thompson)曾经形容地球被一次强烈的伽马射线爆发袭击的可能性,大概相当于他在自家的衣橱里发现一只北极熊——这种可能性虽然存在,但是并不值得太过担心。

爱乐洪哥

莫听穿林打叶声,何妨吟啸且徐行。竹杖芒鞋轻胜马,谁怕?一蓑烟雨任平生。 料峭春风吹酒醒,微冷,山头斜照却相迎。回首向来萧瑟处,归去,也无风雨也无晴。

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