大洋深处的超新星秘史

1987 年 2 月，NASA 高达德空间飞行中心的年轻研究员 Neil Gehrels 搭乘一架军用飞机前往澳大利亚内陆。Gehrels 带了一些奇怪的货物：一个聚乙烯太空气球，和一组他刚刚在实验室里重建完成的辐射探测器。他急着赶往位于北领地的偏远前哨——艾丽斯泉，在那里他打算把这些仪器放飞到地球大气层的高处，来窥视我们宇宙中最令人兴奋的事件——一颗在我们银河系近旁卫星系中爆发的超新星。

和许多超新星一样，SN 1987A 宣告了一颗大质量恒星以暴力方式发生的瓦解。但与众不同的是它离地球很近；它是自 1604 年 Johannes Kepler 发现一颗位于我们银河系内的超新星以来，距离我们最近的天体灾变。从那时候起，科学家就在等待另一颗超新星的爆发，这样他们就可以坐在前排，来寻求许多问题的答案。他们疑惑的是诸如此类的问题：超新星距离我们多近足以毁灭地球上的生命？

回到 1970 年代，研究人员猜测邻近超新星爆发产生的辐射能够使臭氧层消失，把植物和动物暴露在致命的紫外线下，并可能导致一场大规模灭绝。利用从 SN 1987A 获得的新数据，Gehrels 能够计算出能够导致这种厄运的理论半径，在这个半径之内，超新星能够导致严重的后果；同时也可以计算出垂死恒星出现在这个半径之内的概率。

要了解超新星是如何影响生命的，科学家需要把它们爆发的时间和地球上的关键事件，如大规模灭绝或进化飞跃联系起来。

“能够严重影响地球臭氧层的超新星出现机会最低是每十亿年一次，”仍然在高达德工作的 Gehrels 说。他承认这种机会并不高，而且今天也不存在能够对太阳系造成威胁的恒星。但是地球已经存在了 46 亿年，生命出现的时间也有其一半左右，这表明在过去某个时候，地球受超新星爆发影响的机率是比较大的。问题在于要确认它在什么时候发生过。因为受超新星影响的主要是大气，因此要找到确凿的证据十分困难。

天文学家在周边宇宙中寻找线索，但是邻近超新星最令人信服的证据却来自相反的方向——海底。在这里，有一种漆黑的沥青色矿物形式，名为锰结壳，它们极其缓慢地生长在水下山脉的赤裸岩床上。在它薄薄的壳层结构中，记录了行星地球的历史，其中也有可能存在首份邻近超新星爆发的直接证据。

相貌平平，却极为重要：Hein 在夏威夷附近收集的锰结壳。James Hein

这种远古时期宇宙爆发的线索对科学家来说是极为有价值的，他们怀疑超新星爆发在地球生命的进化中可能扮演了一个我们知之甚少的角色。“它实际上可能是生命发展过程的一部分，也是它们需要提防的所谓‘明枪暗箭’，”伊利诺伊大学香槟分校的天文学家 Brian Fields 说。但是要了解超新星是如何影响生命的，科学家需要把它们爆发的时间和地球上的关键事件，如大规模灭绝或进化飞跃联系起来。而唯一的方法是通过寻找那些源自超新星核聚变的元素，来搜索它们深藏在地球上的残片。

Fields 和他的同事确定了少数由超新星锻造出来的元素——大多是衰变缓慢的稀有放射性金属——来代表一颗已去世恒星。最有希望的候选元素是铁 60，这是一种铁的同位素，它的原子比普通铁多包含 4 个中子，半衰期为 260 万年。但是要寻找散布在地球表面的铁 60 原子不是件容易的事。据估计，Fields 认为实际上只有极少量的铁 60 到达了我们的行星并且落在了地面，它会被自然的铁稀释，或在数百万年时间中被侵蚀并清洗得一干二净。

结壳的生长是科学中已知最缓慢的过程之一——每一百万年生长五毫米。

所以科学家转而将目光投向了海底，他们在锰结壳中发现了铁 60 原子，这些结壳有点像石笋：它们也是从液体中凝结出来的，壳层会不断累积，只不过它们的成份是金属，形成的是大范围薄片而非一个个尖峰。它们主要由铁和锰的氧化物组成，也有钴和钇等元素表上所有的几乎全部金属，但是量很少。

当铁、锰和其他金属离子从陆地冲入海洋，或从水下火山喷口中涌出后，会与海水中的氧发生反应，形成固体物质沉积到海底，或者悬浮在海水中，最后依附到已有的结壳中。美国地质调查所的 James Hein 研究锰结壳已有 30 多年，他说这些结壳究竟是如何在海底岩石上形成的仍然是一个谜，但是一旦首个壳层出现，更多的壳层就会累积，这些壳层可以厚达 25 cm。

因此这些结壳就好象保留了海水化学记录的宇宙历史学家，其中也包含了能够指认恒星死亡时间的元素。一块 Hein 1980 年代从夏威夷西南海域捞到的最古老结壳，其年龄已有 7000 多万年，在那时，恐龙还在这个行星上漫步，而印度次大陆还是漂浮在南极和亚洲之间的一个岛。

结壳的生长是科学中已知最缓慢的过程之一——每一百万年生长五毫米。与之相比，人类指甲的生长比它快七百万倍。原因仅仅是因为数量。海水中，每十亿个水分子中所含的铁或锰原子还不到一个——它们在被壳层俘获前，还必须躲过水流的拉扯和其他化学反应的力量，这些都有可能使它们变得更为分散。

与生长缓慢的结壳不同，超新星爆发几乎是一瞬间。最常见的超新星类型，是当恒星耗尽了氢和氦燃料后，不得不用更重的元素来取代，直至最后形成了铁之后发生的。这一过程可能会持续数百数千万年，但最后一刻却只要几毫秒。随着核心重元素越来越多，恒星也变得越来越不稳定。最终内爆发生了，恒星外层将以光速的四分之一向内坍缩。但是密度极大的内核会迅速地加以阻止并使其反弹，从而引发一次超级大爆炸，把恒星的碎片云喷射到太空中——这些碎片中包括了铁 60 同位素，而它们中的一部分最终在地球海底的锰结壳中安了家。

与地球历史学家会晤：Klaus Knie 用这块从 4830 m 深太平洋海底获得的 25 cm 厚锰结壳样品来搜索铁 60 同位素。Anton Wallner

当时是慕尼黑技术大学实验物理学家的 Klaus Knie，以及他的合作者，是首批在这些结壳中寻找铁 60 的人。Knie 的团队既不是为了研究超新星，也不是为了研究结壳——他们当时是为了发展一种能够测量多种稀有同位素的方式——其中包括了铁 60。在另一位科学家测出了一种能够用以测定这些壳层年龄的铍同位素后，Knie 决定检验一下铁 60，他知道这种元素是由超新星产生的。“我们是宇宙的一部分，如果我们找到合适的所在，我们就有机会把‘天体物理学’的物质拿在手中，”Knie 说。他现在在 GSI 亥姆霍兹重离子研究中心工作。

Knee 的新手段使科学家能够知晓，在可能更为古老的年代，地球附近何时曾出现过超新星，并且能够研究它们给地球带来的影响。

这块在离夏威夷不远的海底获得的结壳正是所谓的“合适所在”：Knie 和他的同事在壳层内发现了约 280 万年前注入其中的铁 60，它正是一颗在那时死亡的邻近恒星留下来的征象。Knie 的发现在许多方面都非常重要。它提供了首份能够在地球上找到超新星残骸的证据，同时也能够大致确定最近一次邻近超新星爆发的时间（假如还有一次更近的爆发事件，那么 Knie 就会在其中找到在更近时间内注入其中的铁 60。）但是它同时也让 Knie 可以提出一种有趣的演化理论。

根据壳层中铁 60 的浓度，Knie 估计这颗爆发的超新星距离地球至少是 100 光年——比能够彻底破坏臭氧层的距离远三倍——但是它已经足以改变云的形成，因此也能够改变气候。虽然 280 万年前并没有发生大规模灭绝，但是气候却有剧烈的改变——而这有可能促进了人类的演化。在那一时期，非洲气体逐渐变得干燥，森林面积缩小，草原面积扩大。科学家认为，这一改变促使我们的人科祖先从树上下来，并最终开始直立行走。

这个理论还很年轻，仍然在推理之中，当然就有反对者。有些科学家认为铁 60 可能是被陨石带到地球上的，有些认为气候的改变可以用温室气体浓度的变小，或者南北美洲海洋通道的关闭来解释。但是 Knee 的新手段使科学家能够知道，在可能更为古老的年代，什么时候在地球附近出现过超新星，并且能够研究它们给地球带来的影响。Fields 说，我们能够用这些生长缓慢的漆黑岩石，来研究光芒四射瞬间发生的恒星爆炸现象，便是一件令人难以想象的事。而实际上它们能够讲述的故事要多得多。

作者 Julia Rosen 是美国俄勒冈州波特兰的科学作家。她曾在洛杉矶时报、科学新闻和地球杂志上发表过作品。在成为作家之前，Julia 曾获地质学博士学位，研究方向是极地冰芯中封存的气泡。

风车星系照片由 NASA、ESA、哈勃遗产小组、空间望远镜科学研究所、大学天文学研究协会和 A. Riess 提供，红海珊瑚礁照片由 Wusel700 提供。