恒星爆炸可能如何塑造了地球上的生命(2015)

1987年2月，美国宇航局戈达德太空飞行中心的年轻研究员尼尔·盖瑞斯登上了一架飞往澳大利亚内陆的军用飞机。盖尔斯携带了一些特殊的货物：一个聚乙烯太空气球和一套他刚刚在实验室里建造完成的辐射探测器。他急于赶到北领地的一个偏远的前哨爱丽斯斯普林斯，在那里他将把这些仪器发射到地球大气层上方的高空，以便窥探我们宇宙中最令人兴奋的事件：一颗超新星在银河系附近的一个卫星星系爆炸。

像许多超新星一样，SN1987A宣布了一颗大质量恒星的猛烈崩塌。它的与众不同之处在于它离地球很近；这是自约翰尼斯·开普勒1604年在我们银河系发现恒星大灾难以来，距离我们最近的一次大灾难。从那时起，科学家们想出了许多问题，要回答这些问题需要坐在另一颗超新星的前排。它们是这样的问题：超新星需要离地球多近才能摧毁地球上的生命？

早在20世纪70年代，研究人员就假设，来自附近超新星的辐射可能会消灭臭氧层，使植物和动物暴露在有害的紫外线下，并可能导致大规模灭绝。有了SN1987A的新数据，Gehrels现在可以计算出一个理论上的末日半径，在这个半径内，超新星将会产生严重的影响，以及垂死的恒星可能会在其中迷失的频率。

为了了解超新星是如何影响生命的，科学家们需要将它们爆炸的时间与地球上的关键事件联系起来，例如大规模灭绝或进化飞跃。

“底线是，会有一颗距离地球足够近的超新星，大约每10亿年就会剧烈影响臭氧层一次，”目前仍在戈达德工作的盖瑞斯说。他承认，这并不是很常见，而且今天太阳系中也没有危险的恒星徘徊。但地球已经存在了46亿年，生命大约有一半的时间，这意味着超新星很有可能在过去的某个时候炸毁了地球。问题是找出什么时候。因为超新星主要影响大气，所以很难找到确凿的证据，“盖瑞斯说。

天文学家已经在周围的宇宙中寻找线索，但附近存在超新星的最令人信服的证据--有些自相矛盾--来自海底。在这里，水下山脉的光秃秃的基岩上生长着一种被称为铁锰结壳的暗淡而沥青的黑色矿层--令人费解地缓慢生长。在它的薄层中，它记录了地球的历史，根据一些人的说法，这是附近有超新星的第一个直接证据。

这些关于古代宇宙爆炸的线索对科学家来说非常有价值，他们怀疑超新星可能在塑造地球上生命的进化过程中扮演了一个鲜为人知的角色。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的天文学家布莱恩·菲尔兹(Brian Fields)说：“这实际上可能是生命如何继续的故事的一部分，以及它不得不躲避的投掷和箭。”但为了了解超新星是如何影响生命的，科学家们需要将它们爆炸的时间与地球上的关键事件联系起来，例如大规模灭绝或进化飞跃。要做到这一点，唯一的方法是通过寻找我们星球上主要在超新星内部融合的元素来追踪它们在地球上沉积的碎片。

菲尔兹和他的同事们列举了几种这种由超新星锻造的元素--主要是衰变缓慢的稀有放射性金属，它们的存在肯定是恒星过期的迹象。最有希望的候选元素之一是Fe-60，这是一种重同位素铁，比普通同位素多出四个中子，半衰期为260万年。但要找到分散在地球表面的Fe-60原子并非易事，据Fields估计，只有非常少量的Fe-60实际上会到达我们的星球，在陆地上，它会被天然铁稀释，或者在数百万年的时间里被侵蚀和冲走。

结壳的生长是科学界已知的最慢的过程之一-它们每百万年增加大约5毫米。

因此，科学家们转而观察海底，在那里他们在铁锰结壳中发现了Fe-60原子，这些结壳是形成有点像石笋的岩石：它们从液体中沉淀出来，增加了连续的层，只是它们是由金属组成的，形成了广泛的毯子，而不是单个的尖顶。它们主要由铁和锰氧化物组成，也含有少量的元素周期表中几乎所有的金属，从钴到钇。

当铁、锰和其他金属离子从陆地冲进大海或从水下火山口涌出时，它们与海水中的氧发生反应，形成固体物质，沉淀到海底或漂浮在周围，直到它们附着在现有的结壳上。美国地质调查局(United States Geological Survey)的詹姆斯·海因(James Hein)研究了30多年的地壳，他说，它们到底是如何在海底的岩石地带站稳脚跟仍然是一个谜，但一旦第一层积累起来，就会有更多的层-厚达25厘米。

这使得结壳可以作为宇宙历史学家，记录海水化学，包括用作垂死恒星的时间戳的元素。上世纪80年代，海因在夏威夷西南部捕捞出的最古老的结壳之一，可以追溯到7000多万年前，当时恐龙在地球上漫步，印度次大陆只是南极洲和亚洲之间海洋中的一个岛屿。

结壳的生长是科学界已知的最慢的过程之一-它们每百万年增加大约5毫米。相比之下，人类指甲的生长速度大约快700万倍。原因很简单，那就是数学。在海洋中，每10亿个水分子中就有不到一个铁或锰原子-然后它们必须抵抗通过的电流的吸引和其他化学相互作用的力量，这些相互作用可能会使它们松散，直到它们被下一层困住。

然而，与缓慢增长的地壳不同，超新星爆炸几乎是立即发生的。最常见的超新星类型发生在恒星耗尽其氢和氦燃料时，导致其核心燃烧更重的元素，直到最终产生铁。这个过程可能需要数百万年，但恒星的最后时刻只需要几毫秒。当重元素在核心中积累时，它会变得不稳定并内爆，以光速的四分之一向内吸入外层。但核心中的粒子密度很快就排斥了内爆，引发了一场大规模爆炸，将一团恒星碎片喷射到太空中-包括Fe-60同位素，其中一些最终在锰铁结壳中找到了归宿。

第一批在这些地壳中寻找Fe-60的人是当时在慕尼黑工业大学工作的实验物理学家克劳斯·克尼(Klaus Knie)和他的合作者。Knie的团队既没有研究超新星也没有研究地壳-他们正在开发测量各种元素的稀有同位素的方法-包括Fe-60。在另一位科学家测量了铍的同位素，可以用来确定地壳的年代后，尼克决定检查同一样本中的Fe-60，他知道Fe-60是在超新星中产生的。“我们是宇宙的一部分，如果我们看对了地方，我们就有机会把‘天体物理’物质握在手中，”Knie说，他现在在GSI亥姆霍兹重离子研究中心工作。

Knie的新工具使科学家能够测定可能经过地球附近的其他可能更古老的超新星的年龄，并研究它们对我们星球的影响。

也是从离夏威夷不远的海底提取的地壳被证明是正确的位置：Knie和他的同事们在大约280万年前的地层中发现了Fe-60的峰值，他们说这表明大约在那个时候附近的一颗恒星已经死亡。尼克的发现在几个方面都很重要。因为它代表了地球上可以发现超新星残骸的第一个证据，而且它精确地确定了附近最后一次超新星爆炸的大致时间(如果有更近的一次，尼克会发现更近的Fe-60尖峰)。但这也使尼尼提出了一种有趣的进化论。

根据地壳中Fe-60的浓度，Knie估计超新星在距离地球至少100光年的地方爆炸-是它可能消灭臭氧层的距离的三倍-但距离足够近，可能会改变云的形成，从而改变气候。虽然280万年前没有发生大规模灭绝事件，但确实发生了一些剧烈的气候变化-它们可能促进了人类的进化。大约在那个时候，非洲气候干涸，导致森林萎缩，让位于长满草的稀树草原。科学家们认为，这种变化可能鼓励了我们的原始人祖先，因为他们从树上下来，最终开始用两条腿走路。

与任何年轻的理论一样，这一观点仍然是投机性的，并有反对者。一些科学家认为Fe-60可能是由陨石带到地球的，另一些科学家认为这些气候变化可以通过降低温室气体浓度，或者关闭北美和南美之间的海洋门户来解释。但是Knie的新工具使科学家能够测定其他可能在地球附近经过的、可能更古老的超新星的年龄，并研究它们对我们星球的影响。菲尔兹说，值得注意的是，我们可以用这些迟钝、生长缓慢的岩石来研究恒星爆炸的发光、快速现象。他们还有更多的故事要讲。

领先合成图像字幕：美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)、美国哈勃遗产保护团队(STScI/AURA)和A.Riess(STScI)拍摄的风车形银河，以及Wusel700拍摄的红海珊瑚礁