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科学无国界

我们是知识的搬运工


作者:ED YONG

翻译:戈理

审校:山寺小沙弥


如果想要解释为什么至今在其他星球上没有发现生命,科学家需要回答两个重要问题。第一,宇宙中生命产生的频率是多少?第二,统计上来说,一旦生命产生,生命能够持续存在多长时间而不被毁灭?想要回答第一个问题非常困难,因为目前我们只发现一个有生命存在的星球——地球。但是第二个问题似乎更容易得到答案,至少对于地球而言。有三位天体物理学家试图回答这个问题,他们计算后发现,即使是巨大的陨石撞击地球或者是超新星爆发可能都没法毁灭地球上的全部生命。


一位少女在欣赏约翰马丁的名画《庞贝古城和赫库兰尼姆的毁灭》     摄影:安德鲁温宁


牛津大学的斯隆、巴蒂斯塔和哈佛大学的罗布在《论生命在天体物理事件后的恢复力》中估计了毁灭全部地球生命的天体物理事件的几率,比如巨大的小行星撞击地球从而毁灭地球上全部生命。让人感到欣慰的是,这种几率极其微小:这种事件在十亿年间发生一次的几率大约只有一千万分之一。斯隆感慨道:“我们得到的结论是,一旦生命在宇宙中的某个角落诞生了,几乎不太可能被根除。”换句话说,即使面对着小行星碰撞或者超新星爆炸的威胁,生命也有很大可能延续下去。值得注意的是,三个天体物理学家研究的并不是人类的命运,在天体物理学家斯隆眼中,人类不过是一个脆弱的物种,极端的天气现象甚至政治军事冲突都有可能毁灭全人类。相反,这三位天体物理学家关心的是有什么可以毁灭地球上全部生命,为了研究这个问题,他们关注的是地球上最坚强的动物——水熊虫。


水熊虫是缓步动物门生物的俗称,它的身体极其微小,有八条腿,最小的水熊虫体长只有50微米,生存在水中。别看它们缓慢的脚步,皱皱的嘴和圆滚滚的身体,水熊虫有着对于极端环境超强的抵抗力。在西方文化中,它们甚至是顽强抵抗的象征。在极端环境下,它们可以排出自身全部的水分,进入到一种休眠状态。在这种状态下,它们不需要食物和水分。它们可以在接近绝对零度(零下273摄氏度)的低温环境或者一百五十一摄氏度的高温环境中忍受几分钟而安然无恙。除此之外,它们还能忍受海底的超大压强,杀死其他全部动物的辐射剂量或者极端有毒的环境。至今为止,它们还是唯一已知的暴露在太空中还能生存的生物。总而言之,你要想知道有什么天体物理事件能够毁灭地球上的全部生命,你需要知道有什么能够杀死水熊虫。(非常讽刺的是,一个手指头就能杀死水熊虫。因为水熊虫对于物理伤害非常敏感,也就是说你很容易就能用手指碾碎它们。然而,在水熊虫生存的环境中,类似手指碾压这种物理伤害是非常少见的。)


水熊虫                                   图片来源:Schokraie, PLOSONE


三位天体物理学家斯隆、巴蒂斯塔和罗布考虑了三种可能的天体物理灾害:小行星碰撞(就像是毁灭大部分恐龙的那种碰撞),附近恒星的超新星爆发和高能伽马射线暴。


至少在太阳的寿命内,水熊虫是很有可能存活



在小行星碰撞的情况下,显然小行星会对所有直接被砸中的生物造成致命的物理伤害,除此之外,碰撞还会掀起昏天暗地的烟尘,这些烟尘会阻挡住太阳光,从而造成全球性的寒冰期。超新星爆发和高能伽玛射线暴对于地球生命的损害非常相似:对全球生物进行大剂量辐射照射。这种辐射会毁坏臭氧层,从而使地球暴露于更多的辐射中。辐射还会将空气中的氮气和氧气转化成一氧化二氮,形成酸雨或者光化学烟雾。无论这三种天体物理灾害中的哪一种发生,对人类无疑都是一个糟糕的结果。但是它们对于地下或者深海中的生物而言并非那么严重,因为土地和海洋就像是一个保护罩一样保护着它们。它们已经能够在缺少阳光的环境中生存,所以阳光被遮挡对它们并无太大影响。海洋的酸化和高能辐射都难以杀死水熊虫,因为厚厚的海洋层可以稀释酸雨或者阻隔高能辐射。三位天体物理学家计算了能够杀死大洋底层的水熊虫的辐射量,而这辐射量足以将整个大洋都蒸发,所以这三位科学家接着计算有什么宇宙灾害能够产生足够能量,以至于可以将整个海洋的水加热到一百摄氏度。一颗重量大于1.7千万亿吨(十的十五次方吨)的小行星才能产生这么多能量,这大约是灭绝恐龙的那颗小行星的10到1000倍。在太阳系中,目前只发现了十九颗小行星有这么大,除此之外还有几颗矮行星比这个大,比如冥王星,但是这些星体的轨道都不与地球轨道有任何交集。三位科学家还计算了来自太阳系外的小行星击中地球的可能性,十亿年内发生一次碰撞的概率大约为十万分之一。超新星爆发和高能伽马暴产生的能量远远大于将海洋沸腾的能量,但这能量随着距离的平方很快衰减。要产生杀死水熊虫的辐射,恒星必须在距地球0.13光年内发生超新星爆发,而离地球最近的恒星——比邻星(三体人的母星),离地球也有4.25光年,况且比邻星的质量太小了以至于无法演化成超新星。如果小质量的比邻星爆发了,那么它产生的能量大约能使地球的海洋温度上涨0.1摄氏度。


比邻星b, 比邻星周围一颗位于宜居带内的行星,距离地球4.22光年

 图片来源:百度百科


“如果星系的某个地方出现了生命,我们有很大概率认为生命依然存在在那个地方。”



以上的所有计算都是基于地球的数据,但是并不是只有地球这颗行星处于这么安全的位置。巴蒂斯塔完成了一个基于银河系恒星密度分布的仿真:越靠近银河系的中心,恒星密度也就越大。即使是在银河系的中心,也只有百分之一的行星(这个范围被称之为“死亡区域”)会被超新星爆发的能量毁灭全部生命。高能伽马射线灭绝生命的可能性就更小了,根据高能伽马暴发生的频率,每十亿年发生一次毁灭全部生命的几率大约为一百亿分之一(这些数据都是考虑杀死水熊虫的剂量)。不过考虑灭绝像人类这样的大型智慧生物的“死亡区域”会大得多。


无论如何,在太阳“熄灭”之前,太阳将会膨胀,将地球包裹在地狱般的火海之中,太阳的终结当然是地球生命的终结,不过在此之前,恐怕宇宙灾难难以将地球上的生命完全毁灭,至少在太阳的寿命内,水熊虫是很有可能存活的。如果水熊虫能够存活,可能还有很多微生物可以存活,而这些都是生命的种子,毕竟从三叶虫到人类也不过几亿年而已。在历史上,地球至少经历了五次大灭绝,每次灭绝中地球上的大部分物种都永远地消失了,但是总有一些物种在大灭绝中幸存下来,即使是更为严重的灾害,在休眠状态下的某些生物还是能够安然度过。


西南研究中心的查普曼对他们的研究总结道:“即使出现人类这样的智慧文明是非常小的几率,可以确认的是,在数十亿年之后,地球上仍有生命存在。“他指出在过去太阳系可能与现在完全不同,如果过去太阳系中的天体比现在的天体更大的话,可能更容易使地球上的生命灭绝。比如说地球在早期可能就被一个火星大小的星体击中,而这次撞击产生了月球。除此之外,查普曼指出,我们无法知道生命在其他星球的演化是不是与生命在地球上的演化相似。在宇宙中的极端环境中会不会孕育出能忍受极端环境的“类水熊虫”生物呢?会不会有一些生命在深海之类的保护层下健康生长呢?查普曼认为对于这些太阳系外生命演化的研究更多是猜测性的。


斯隆承认他的研究过程中使用了很多假设,但是当科学家试图解决太阳系外生命的问题时,他们不得不使用地球的数据作为出发点。研究之后的斯隆对于寻找地外生命也更加乐观了。在过去的几十年里,天文学家已经发现了几千颗太阳系外行星,其中部分行星与地球大小相似,而且同样处于宜居带中,宜居带中的行星能得到生命需要的足够热量,但温度又不至于太高。它们中间是否有生命存在,甚至连我们的邻居火星是否有生命存在现在都无定论。但是斯隆坚信,如果星系的某个地方出现了生命,我们有很大概率认为生命依然存在在那个地方。


原文链接:

https://www.theatlantic.com/science/archive/2017/07/what-would-it-take-to-completely-sterilize-the-earth/533613/


编辑:山寺小沙弥


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作者:佚名
来源:中科院物理所