第1章 科学(1)

超新星引爆生命

文/赵洋

恒星爆炸形成“大寂静”

天体生物学中有一种著名的说法叫做“大寂静”，指的是“考虑到宇宙巨大的空间和极其古老的历史，其中应当存在许多具有高度发达文明的智慧生命，但我们却没有找到任何相关的证据，这两者之间似乎存在一种矛盾。”这个说法最早来自美国物理学家费米，因此也被称为“费米佯谬”。

最近，一些科学家提出了一种新的设想，他们认为“大寂静”与恒星的爆炸有关，正是这些爆炸摧毁了可能存在的外星生物。尤其是一种被称作“白矮星极超新星爆发”的事件，甚至可能将整颗星球吸入黑洞。极超新星是极大质量的恒星生命最后的华彩乐章，由于其爆炸产生超强能量，影响范围巨大，甚至可以影响远在数千光年之外的天体。科学家们猜测，这种爆炸过程可能每数百万年就会重复发生数次，这样就可能造成潜在的生命体被彻底摧毁。

直到上世纪90年代，只有爆炸能量相当于100倍超新星爆发的案例才会被归入极超新星爆发的范畴。但今天，这一情况已经发生了改变。天文学家将所有极超巨星发生的爆发全部归入极超新星的范畴。极超巨星是指具有极大质量的恒星，一般其质量数值介于100~300倍太阳质量之间。

极超新星爆发产生的明亮闪光很大程度上来自镍的一种同位素衰变。而当两颗同样具有地球大小和体积的白矮星相互合并时，其发出的光芒则将更加惊人。这一过程还会产生一个“恒星级黑洞”。这是由于引力坍缩引起的，原因就在于爆炸引发的强烈挤压作用。

恒星的一生都处在引力和向外压力的平衡之中，而当恒星的核聚变能源耗尽时，引力终将获胜，此时恒星的坍缩将是不可避免的。

天体物理学家们的计算显示，如果燃料耗尽，即将发生坍缩时，恒星仍然具有0.7倍左右的太阳质量，则坍缩将最终导致其产生一个黑洞。而一旦在地球附近的空间发生极超新星爆发，结果将是灾难性的，不但地球生命会被这种爆发产生的强烈伽马射线爆直接消灭，伽马射线辐射还会使大气中的氧气和氮气反应产生氧化亚氮，这种化学物质能摧毁地球大气中的臭氧层，使地球表面暴露在有害的太阳辐射与宇宙射线之下。据推测，一颗近地超新星引起的伽马射线暴有可能是造成奥陶纪-志留纪灭绝事件的原因，这造成了当时地球将近60%海洋生物的灭绝。

幸好在地球附近的空间并未发现任何极超巨星的存在。但在更远的距离上可能存在的极超巨星爆发，仍然有可能在未来对地球上的生命构成伤害。

目前发现的距离地球最近的超新星候选者是飞马座IK（HR 8210）。它距地球只有150光年，是由一颗主序星和一颗白矮星组成的密近双星系统，两者相距仅为3100万千米。据估计，其中白矮星的质量约为太阳的1.15倍，大约在几百万年后，白矮星将通过吸积增长到足够的质量，从而演化为一颗Ia型超新星。①

“小绿人”来电

1967年10月，剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼·休伊什教授的博士研究生——24岁的乔丝琳·贝尔在检测射电望远镜收到的信号时，无意中发现从狐狸座方向接收到一些有规律的脉冲信号，它们的周期十分稳定，为1.337秒。贝尔小姐立刻把这个消息报告给导师，休伊什认为这是受到了地球上某种电波的影响。但是，第二天，在同一时间、同一个天区，那个神秘的脉冲信号再次出现。这就表明这个奇怪的信号不是来自于地球，而是来自于天外。一开始，贝尔对此很困惑，甚至曾想到这可能是外星人在向地球发电报联系，所以给这个脉冲源起名叫“小绿人一号”。但在接下来不到半年的时间里，又陆续发现了数个这样的脉冲信号，他们意识到这是一种自然发生的天文现象。1968年2月，贝尔和休伊什联名在《自然》杂志上报告了新型天体——脉冲星的发现，并认为脉冲星就是物理学家预言的超级致密的、引力强大的奇异天体，其半径大约10千米。

早在1939年，美国物理学家奥本海默就提出：质量很大的恒星由于其引力的巨大，将使它的最后归宿不是变为白矮星，它会继续收缩，原子和原子核均被挤碎，带正电的质子与带负电的电子在强大引力作用下被结合成中性的中子，其庞大星体收缩成为体积极小、质量和密度极大的全部由中子构成的星体——中子星。

脉冲星为何会发射脉冲并被我们观测到呢？设想一下，我们的地球仿佛是宇宙之海中的一叶扁舟。如果远方有一座灯塔，它的灯光总在不停地匀速转动，灯塔每转一圈，由它窗口射出的灯光就射到“地球之舟”上一次。灯光不断旋转，在我们看来，光源就连续地一明一灭。脉冲星就是这样的“灯塔”。它每自转一周，地球就接收到一次它辐射的电磁波，于是就形成一断一续的脉冲。脉冲星的这种现象，也就叫“灯塔效应”。脉冲的周期其实就是脉冲星的自转周期。

所有恒星都能发射脉冲吗？其实不然，要发出像脉冲星那样的射电信号，需要很强的磁场。只有体积越小、质量越大的恒星，它的磁场才越强。而中子星正是这样高密度的恒星。

另一方面，恒星体积越大、质量越大，它的自转周期就越长。我们很熟悉的地球，自转一周要二十四小时。而脉冲星的自转周期竟然小到0.001337秒！就连致密的白矮星，以这样的高速自转都会被撕裂。只有更为致密的中子星，才可能扮演高速旋转的脉冲星角色。

脉冲星的发现与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。休伊什教授也因脉冲星的发现而荣获1974年的诺贝尔物理学奖，但不少人对贝尔小姐未能获奖而颇有微词。他们认为，在脉冲星的发现过程中，起关键作用的应该是贝尔严谨的科学态度和极度细心的观测。好在科学界并没有忘记贝尔，自发现脉冲星以来，她已经获颁十几项世界级科学奖。

超新星如何爆发

发现脉冲星后，天文学家开始梳理历史上的超新星记载，果然在出现过超新星的位置，都发现了脉冲星。其中，最有名的是“1054年超新星”。

1054年7月4日，距地球6500光年的一颗超新星爆发了。这次爆发被宋朝的天文学家详细记录下来。《续资治通鉴长编》中这样写道：“至和元年五月己酉，客星晨出天关之东南，可数寸，嘉祐元年三月乃没。”日本人和美洲土著居民对这一奇异天象也有观测记录。在超新星爆发的头二十三天，即使在白昼都可以看到它，其亮度如金星一般。直到一年多以后，这颗超新星才消失不见。超新星爆发时产生的激波会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。1054年超新星爆发的遗迹就是著名的蟹状星云。

超新星的爆炸是如何发生的呢？

大质量恒星在大部分生命时间里，内部都进行着氢→氦的热核反应。其中，氢是“燃料”，氦是“炉渣”，当燃料逐渐耗尽，堆积的只是大量炉渣时，氢→氦热核反应便不能维持下去，大质量恒星也走向了晚年。