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天文学家说“世界末日”

2020-06-29 07:15:41 《百科知识》 2020年12期

李淼

我是谁?我从哪里来?要到哪里去?早在2000多年前,古希腊哲学家柏拉图就提出了这一终极命题。事实上,与世界如何起源相比,世界何时、以什么方式终结,更令我们感到困惑。世界末日的预言和有关传说起源于原始宗教,主要指地球文明的终结;科学上所谓的世界末日,则是指宇宙系统的崩溃或人类社会的灭亡。

可能导致“世界末日”来临的原因有哪些呢?有关假说不下十余种。比如科幻作家艾萨克·阿西莫夫认为是机器人将主宰世界,反过来奴役创造它们的人类。此外还有小行星撞击地球、超级火山爆发、环境崩溃、灾难性疾病全球大流行、大规模核战争爆发、外星人入侵、太阳灾难、超新星爆发……

所谓世界末日,其实可以分成三个层次:一是人类末日,人类毁灭后,地球还能存在;二是地球末日,地球所在的太阳系毁灭后,宇宙还能存在;三是宇宙末日,就是整个宇宙系统都崩溃了。下面,我们就从天文学角度聊聊有关“世界末日”的话题。

小行星撞地球

说到“世界末日”,对人类社会威胁最大的或许就是小行星撞地球了。其实,这种事情早就发生过。

一位年轻的地质学家在意大利进行野外考察时,偶然发现了一层6500万年前形成的沉积物薄层。令人不解的是,这层仅有6毫米厚的黏土层似乎成了一道“分界线”:在这一层年代以前的层面里,能够发现很多恐龙化石;但在这一层年代之后的层面里,什么恐龙的化石也没有发现。事实上,这种现象不足为奇,在世界许多地方都有,所以并没有引起人们的格外重视。不过,这位地质学家的父亲是一位曾荣获诺贝尔物理学奖的著名粒子物理学家。父亲突发奇想,认为这6500万年前形成的黏土中或许含有地球之外的某种物质,便让儿子去化验其中的化学成分。

经过化验,科学家在黏土中发现了高浓度的铱,其含量超过正常含量几十甚至数百倍。如此高浓度的铱在陨石中可以找到,因此,科学家们就把它与发生在6500万年前的恐龙大灭绝联系起来了。

根据黏土中金属铱的含量,科学家们还推算出当时撞击地球的物体是一颗直径10千米左右的小行星。对于地球来说,遭到如此大的物体的撞击,绝对是一次无与伦比的打击。科学家推算,这次撞击引发了相当于里氏10级左右的地震;撞击所产生的陨石坑直径超过100千米。科考人员用了10年的时间,终于在中美洲尤卡坦半岛的地层中找到了这个大坑,坑的直径为180~300千米。

究竟是什么原因造成了6500万年前白垩纪末期的恐龙大灭绝?科学家们提出了各种假说,争论不休,莫衷一是。物理学家与地质学家父子所提出的“撞击说”只是其中之一,况且,由于他们的学术领域并非生物学,其假说自然遭到了各种质疑,甚至一度被认为是伪科学。

不过,有一位名叫苏梅克的天文学家坚定地支持“撞击说”。机缘巧合的是,1993年3月4日,苏梅克夫妇和他们的好友、天文爱好者列维从拍摄的天文照片中发现了一串晶莹璀璨的“太空项链”。原来,这是一群彗星。它们被命名为苏梅克-列维9号彗星。轨道计算表明,这群彗星原本是一颗,在1992年7月7日绕木星运行时,在木星巨大的引力作用下解體成了21块直径在1~10千米的碎片。科学家根据计算预测:1994年7月17~22日,当这些碎片再次飞近木星时,将会以60千米/秒的速度与木星相撞,每一块都会将木星撞出地球那么大的坑。值得一提的是,这是人类第一次对天体相撞事件做出预测。

既然小天体可以撞击木星,它也可能会撞击地球。在地球上发现的证据和天体观测时发现的证据结合在一起,终于印证了“撞击说”。此后,生物学界逐渐接受了这一假说,即发生在6500万年前白垩纪末期的恐龙大灭绝是由于小行星撞击地球造成的。

为什么一个小行星撞击地球,会造成如此大的灾难性后果呢?

假若有一个直径10千米左右的小行星撞击到地球,将会释放出包括核反应在内的巨大能量。其实,核反应还不是最恐怖的;最恐怖的是,这一撞击将会把地球上的尘埃“砸”到大气层的平流层上。平流层在距离地表大约10~50千米的高度,其空气主要表现为水平方向运动,对流现象减弱。被小行星撞击“砸”上平流层的尘埃可以在此区域长期停留,不会很快落下。于是,这些停留在平流层中的尘埃越积越多,遮天蔽日。没有阳光,植物就会因无法进行光合作用而逐渐死亡。接下来,那些以植物为食物的食草动物就会因失去食物而死亡。再接下来,以食草动物为食的食肉动物也会灭亡……

自从地球上出现生命以来,生物的演变发展可谓多灾多难。从地质考古学角度来看,生命进化史上发生过至少5次生物大灭绝事件。其中,离我们最近的一次就是发生在6500万年前的那一次。当时,有包括恐龙在内的超过50%的物种消亡。而在这之前的几次毁灭性灾难,导致60%~70%的物种灭绝。

星系撞星系

小行星撞击地球可能会毁灭地球上的一些物种,但不大可能摧毁整个地球。那么,有什么可以毁灭整个地球的呢?科学家预测,在大约50亿年之后,当太阳的燃料消耗殆尽之时,它将变成一颗红巨星,体量不断膨胀,最终吞噬掉整个地球。除了这个太阳灾难说外,还有一种可以毁灭整个地球的宇宙现象,也是宇宙中目前可以观测到的最剧烈现象之一,即星系撞星系。

我们知道,地球所在的太阳系其实只是巨大的银河系里极小的一部分,而在整个宇宙中,像银河系这样的星系有上千亿个。天文学家发现,这些星系的正中间都存在着一个巨大的黑洞。打个比喻,这个黑洞就如同羊群里的一头猛虎,一旦周围有哪只小羊不小心走入它的地盘,就会被它毫不客气地吞吃掉。那么,如果两拨羊群和它们中间的老虎汇合在一起,会发生什么呢?场面一定会非常混乱。当两个星系相撞,在正常情况下,由于引力的作用,两个黑洞最终会并合,形成一个更大的黑洞。

仙女座星系距离地球有254万光年,是距银河系最近的大星系。天文学家观测发现,仙女座星系正以120~300千米/秒的速度向银河系靠近。2012年,天文学家分析了哈勃太空望远镜观测的仙女座星系在2010~2012年的运动状态,从而预测在30亿~40亿年后,仙女座星系一定会与银河系相遇。

宇宙“大撕裂”

前面我们介绍了所谓世界末日中有关人类末日和地球末日层面的知识,现在,就谈谈最后一个层面—宇宙末日。

宇宙末日真的存在吗?宇宙末日有可能来临吗?

说起来你可能不太相信,我们人类能够看到的世界其实只占宇宙总物质的5%;还有约25%叫暗物质,它有引力,但是我们看不见它;其余约70%叫暗能量,产生斥力,我们同样看不见它。宇宙中暗物质和暗能量的总质量是普通物质的6倍,在宇宙能量密度中占了1/4;更重要的是,暗物质和暗能量主导了宇宙结构的形成。

那么,为什么我们在日常生活中感受不到暗能量的斥力呢?这是因为,暗能量的斥力只有在整个宇宙的尺度上才起作用,而在我们的日常生活中,它太小了,完全不起作用。

不过,在理论上—仅仅是在理论上—存在着这样一种可能性,就是暗能量的斥力可以越变越大,直到大到足以对抗宇宙中所有的引力。在这种情况下,当暗能量把宇宙中所有结构都破坏掉的时候,我们可以称之为“宇宙末日”,或者叫“大撕裂”。

如果我们不了解宇宙暗物质的性质,就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种宇宙暗物质—中微子和黑洞,但是它们对宇宙暗物质总量的贡献是非常微小的,宇宙暗物质中的绝大部分现在还不清楚。

星系有寿命吗

或许有人会问,星系有寿命吗?答案是:星系确实是有寿命的。

那么,星系最终会变成什么样子呢?大家可能都知道,星系一般都具有一个很典型的螺旋状结构,就像我们的银河系一样。这个螺旋状的结构就如同一架风车,风车的旋臂则围绕着中间的超大质量黑洞旋转。在非常遥远的未来,风车的这些旋臂最终都会掉进中间的那个黑洞里。为什么会这样呢?我们知道,像这种加速运动的物体,它是会对外释放引力波的,引力波会带走这些旋转物体的能量。虽然引力波带走的能量非常小,但是我们假设的是无限久远的未来,随着时间的推移,任何一点微小的变化日积月累,最终都会由量变转化为质变。那么,整个银河系的旋臂在随着引力波久远地释放以后,它的能量越来越小,最终就会掉进中间的那个黑洞里。这是一个非常恐怖的结局。

超新星爆发和伽马射线暴

超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。超新星爆发过程中所突发的电磁辐射通常能够照亮其所在的整个星系,并可持续数周至数月才会逐渐衰减变为不可见。在这段时间内,一颗超新星所辐射的能量可以与太阳终其一生中所辐射能量的总和相当。

公元185年12月7日,我国古代天文学家观测到超新星185,这是人类历史上发现的第一颗超新星。这颗超新星在夜空中照耀了8个月。《后汉书·天文志》中记载:“中平二年十月癸亥,客星出南门中,大如半筵,五色喜怒,稍小,至后年六月消。”1987年2月24日,位于大麦哲伦星云的超新星1987A在爆发后的数小时内就被发现。这是现代超新星理论第一次获得可以与实际观测比较的机会。2006年9月18日,距地球2.38亿光年的超新星SN2006gy爆发(曾被认为是不穩定的超新星,但没有得到证实),这是人类有史以来观测到的最强烈的超新星爆发。

超新星通过爆发,会将其大部分甚至几乎所有物质以高至1/10光速的速度向外抛散,并向周围的星际空间辐射激波。这种激波会导致形成一个膨胀的气体和尘埃构成的壳状结构,这被称作超新星遗迹。超新星是星系引力波潜在的强大来源。初级宇宙射线有很大的比例来自超新星。

在过去的1000年里,银河系发生过三次超新星爆发。让我们感到幸运的是,它们与地球的距离比较远,否则的话,就很有可能把地球炸飞。我们目前尚无法预测下一次超新星爆发在什么时间,距离地球有多远。所以,对于人类来说,超新星爆发还是具有一定危险性的。

说完超新星爆发,我们再聊聊伽马射线暴。

伽马射线暴又称伽马暴,是宇宙中发生的最剧烈的爆炸,理论上是巨大恒星在燃料耗尽时塌缩爆炸或者两颗邻近的致密星体(黑洞或中子星)合并而产生的。伽马射线暴短至千分之一秒,长则数小时,会在短时间内释放出巨大能量。如果与太阳相比,它在几分钟内释放的能量相当于万亿年太阳辐射能量的总和,其发射的单个光子能量通常是典型太阳光的几十万倍。

那么,人类什么样的活动有可能产生伽马射线暴呢?那就是核爆炸。所以,最初的伽马射线暴监测并不是由天文学家,而是由美国军方来做的。为了监视苏联的核试验,美国军方发射了可以测量伽马射线的卫星。这样,只要苏联进行核试验,就会发出伽马射线,从而被美国军事卫星捕捉。然而,令人意想不到的事情发生了。美国军方发现,居然每天都能够监测到伽马射线,难道苏联人每天都在不分昼夜地进行核试验?后来,美国军方才搞明白,他们所监测到的伽马射线其实并不是来自于苏联的核试验,而是宇宙中的天体发出来的。

科学家评估认为,强大的伽玛射线暴能够杀死一定范围的宇宙生命。伽玛射线暴强大的辐射可破坏生物DNA,并导致行星失去大气层。这或许能够说明,为什么我们至今仍然没有找到其他宇宙生命。更致命的是,伽玛射线暴还有定期发生的规律。这对宇宙生命而言,是个不利的消息,因为这会阻止宇宙生命进化成高级物种。

科学家发现,伽玛射线暴在大约5亿年前曾袭击过地球,导致大量的生命灭绝。地球在过去的岁月中受到伽玛射线暴的“洗礼”,只不过地球生命顽强地生存下来了。那么,地球未来的命运会如何呢?