想给地球“杀菌”?炸颗超新星试试

想给地球“杀菌”?炸颗超新星试试

文/ @简明杰 ,原题《如何给地球“杀菌”?水熊虫的世界


截止到现在(2017.7.24),我们已经确认了3499个地外行星,发现了2609个行星系统。在这些地外行星中,有将近80%是由凌星的方法发现的。而随着新一代的望远镜和光谱仪的应用(JWST、TMT等),我们有望在不远的未来探测到行星大气的成分,从而由此推断行星上是否有生命。探测到地外生命的概率由两个数值决定,一个是所有行星中有生命产生的行星的比例,第二是一个行星从生命诞生到被我们观测到的时间内生命一直存续的概率。第一个数值比较难估计,但是第二个值对地外生命的探测也是很重要的。这篇文章的内容基本上来自参考文献[1],感觉是一个有趣的脑洞。

我们并不能直接计算出生命存续的概率是多大,但是我们知道在天文领域内发生灾难性现象的概率是多大。换言之,只要我们数清楚有多少天文现象能给地球“杀菌”,把地球上的所有生命都杀死,就可以知道生命存续的概率有多大了。实际上有不少论文已经对能使人类灭绝的现象给出了结论,如在未来100年内地球遭受2公里大小的小行星或者彗星撞击的概率是 10^-4[2],两亿年内地球很可能遭受1次伽马射线暴和20次超新星爆发[3]。这么看来人类的生命的确比较脆弱。但是如果我们发挥博爱的精神,将视野放到整个生物圈中,我们能找到一种上天入地无所不能生命力很顽强的生物来代表地球上所有的生命吗?

还真有。


水熊虫(Tardigrade)



Bob Goldstein and Vicky Madden, UNC Chapel Hill,CC BY-SA 3.0

缓步动物门(学名:Tardigrata)是动物界的一个门,是俗称水熊虫的一类小型动物,主要生活在淡水的沉渣、潮湿土壤以及苔藓植物的水膜中,少数种类生活在海水的潮间带。有记录的大约有750余种,其中许多种是世界性分布的。在喜马拉雅山脉(海拔6000米以上)或深海(海拔4000米以下)都可以找到它们的踪影。从此直至今天,人们对缓步动物在动物分类中的位置、形态学、生活方式、组织学以及其隐生性的研究兴趣就有增无减。
缓步动物也是第一种已知可以在太空中
维基百科

因为长着像熊爪的爪子,所以这个很小(不超过1.5mm)的动物被称为水熊虫。水熊虫可以在151或者-272摄氏度的环境中生存几分钟,在真空、高压或者高辐射的环境里也没有问题;有几只甚至在太空中成功地进行了繁殖。如果你想杀死一只水熊虫,请看这里。

既然水熊虫的生命力这么顽强,将水熊虫杀死需要什么样的条(nao)件(dong)呢?


将海洋煮沸

生活在陆地上的我们是很脆弱的:大气层温度的变化会将我们冻死/热死、强烈的辐射会使臭氧层消失,把我们暴露在辐射环境中。但是海洋对外界环境的变化没有那么敏感。即使是小行星撞击带来的低温也不会使海洋有很大的改变(恐龙很可能因为小行星撞击而灭绝了,但90%种类的鱼类仍然存活了下来);同时即使地球遭受着很强的高能辐射,海水会大量吸收使得海平面几米以下的海洋辐射量仍维持在正常的水平。所以海洋是维持生命存续的一道屏障。

但是海水吸收了辐射之后温度会上升,所以几位作者(通过他们的脑洞)想到了:如果某个天文现象可以通过加温的方式移除海洋,那么海洋变成陆地,大家不就都完了么?同时作者希望对概率做一个上限的估计,所以就放宽了一点条件:我们所能考虑的天文现象(小行星撞击、超新星爆发和伽马射线暴)中,能把海洋煮沸的现象发生的概率有多大?

根据海水的比热容和质量,我们可以算出让海水升温100摄氏度需要的能量是5.6×10^26J,这相当于半个多地球大小的TNT炸药爆炸所产生的能量。

假设这些能量全部由一个小行星从无穷远处落到地球表面的动能提供,那么我们需要一个质量大于1.7×10^18 kg的小行星。这样的小行星太阳系里面有(比如灶神星和智神星),但是不多,加起来也只有19颗。模型预测的地球被不同质量小行星撞击的概率如下:


小行星撞击概率随质量的关系。虚线表示能灭绝地球上所有生命的质量范围;来自参考文献[1]


可以看出概率在10^−9每十亿年的量级。

超新星爆发时所抛射的能量很大,但是能量会向四面八方扩散,地球需要离超新星足够近才能得到够多的能量将海水煮沸。这个距离是多少呢?0.04秒差距,也就是0.13光年。比邻星距离我们4.22光年,所以即使在比邻星的距离上发生了超新星爆发,海洋的温度也只会上升0.1摄氏度。

利用银河系模型,我们可以算出在不同的位置附近(<0.04pc)存在超新星的概率是多大。


来自参考文献[1]


虽然看起来银心和银道面的概率挺高,但是整体的量级都在10^−6每十亿年以下。

对伽马射线暴的计算和超新星类似;不同的是我们可以假设伽马射线暴呈喷流状,能量会更集中。这样的话能够煮沸海洋的距离就变为了13.8秒差距,比超新星远了很多。但是因为伽马射线暴的发生概率比超新星的小,所以能够杀死地球上所有生物的伽马射线暴产生概率只有3.2×10^−10,比前两种可能性低很多。

总的来说,通过这三种方法给地球“杀菌”成功的可能性只有10^−7每十亿年,也就是每一百亿亿年一次


没有别的办法了吗?

有,太阳。太阳在生命的晚期会膨胀,最终变成白矮星。即使膨胀的时候不足以使地球上的海洋沸腾,太阳死亡之后长时间的低温也能灭绝地球上所有的生物(包括水熊虫)。除非地球在太阳膨胀的时候被抛离太阳系,然后被另外一个恒星捕获。

无论如何,这篇文章的结论是相对乐观的:一旦生命在行星中产生,就很难被灭绝。但是这个难是对于水熊虫来说的,或许有朝一日地球会变成水熊虫的世界?


参考文献

  1. Sloan, D., Batista, R. A. & Loeb, A. The Resilience of Life to Astrophysical Events. Scientific Reports 7, (2017).
  2. Chapman, C. R. & Morrison, D. Impacts on the Earth by asteroids and comets: assessing the hazard. Nature 367, 33–40 (1994).
  3. Beech, M. The past, present and future supernova threat to Earth’s biosphere. Astrophys Space Sci 336, 287–302 (2011).


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