北京時(shí)間 1 月 9 日消息，1987 年 2 月，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)戈達(dá)德太空飛行中心的年輕研究者尼爾·格雷爾斯(Neil Gehrels)登上了一架飛往澳大利亞內(nèi)陸的軍用飛機(jī)。格雷爾斯攜帶了一些特殊的貨物：一個(gè)聚乙烯太空氣球和一組他剛剛在實(shí)驗(yàn)室里打造的輻射探測(cè)器。他的目的地是愛麗斯泉(Alice Springs)，一個(gè)位于北領(lǐng)地的偏遠(yuǎn)小鎮(zhèn)。在那里，格雷爾斯將利用這些設(shè)備，在地球大氣層上方一窺宇宙中最激動(dòng)人心的事件之一：超新星爆發(fā)，這顆超新星位于銀河系鄰近的衛(wèi)星星系中。

　　和許多超新星一樣，SN 1987A 宣告了一顆大質(zhì)量恒星的劇烈坍縮。這次爆發(fā)與眾不同的地方在于，它很靠近地球;這是自 1604 年開普勒超新星(SN 1604)以來(lái)，距離我們最近的一次超新星爆發(fā)。SN 1604 是目前為止銀河系內(nèi)最后一顆肉眼可見的超新星，德國(guó)天文學(xué)家開普勒記錄了這次爆發(fā)，在中國(guó)的《明史》中也有相應(yīng)記載。自 SN 1604 之后，科學(xué)家提出了許多問(wèn)題，而要回答這些問(wèn)題，就得對(duì)新的超新星事件進(jìn)行更進(jìn)一步的觀察。有一個(gè)問(wèn)題是這樣的：超新星的距離多近才可能毀滅地球上的生命?

　　早在 20 世紀(jì) 70 年代，研究人員就假設(shè)，來(lái)自鄰近超新星的輻射會(huì)破壞地球的臭氧層，使動(dòng)植物暴露在有害的紫外線下，并進(jìn)一步導(dǎo)致大規(guī)模滅絕。有了來(lái)自 SN 1987A 的新數(shù)據(jù)，格雷爾斯現(xiàn)在可以計(jì)算出理論上的“毀滅半徑”，即在這個(gè)半徑內(nèi)的超新星會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，此外，他還可以計(jì)算出垂死的恒星出現(xiàn)在這一半徑內(nèi)的概率。

　　最重要的是，可能存在一顆離地球足夠近的超新星，它大約每十億年就會(huì)對(duì)地球臭氧層產(chǎn)生一次巨大的影響。不過(guò)這種情況并不經(jīng)常發(fā)生，而且現(xiàn)在也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)會(huì)威脅到太陽(yáng)系的恒星。但是，地球已經(jīng)存在了 46 億年，而生命出現(xiàn)的時(shí)間大約是地球歷史的一半，這意味著在過(guò)去某個(gè)時(shí)候很可能發(fā)生過(guò)超新星爆發(fā)。問(wèn)題是，這場(chǎng)爆發(fā)到底發(fā)生在什么時(shí)候?而且，由于超新星主要影響大氣，所以很難找到確鑿的證據(jù)。

　　天文學(xué)家在銀河系周圍的宇宙中尋找線索，但最令人信服的超新星證據(jù)卻來(lái)自海底。這聽起來(lái)有點(diǎn)自相矛盾。在海底水下山脈裸露的基巖上，有一種被稱為鐵錳結(jié)殼的黑色礦物在緩慢生長(zhǎng)——速度之慢令人難以置信。在這種礦物的薄層結(jié)構(gòu)中，記錄了地球的歷史，我們可以從中獲得鄰近超新星的第一個(gè)直接證據(jù)。

　　對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些關(guān)于遠(yuǎn)古超新星爆發(fā)的線索非常有價(jià)值，他們推測(cè)超新星可能在地球生命的演化過(guò)程中發(fā)揮了鮮為人知的作用，這一事件很可能是地球生命故事的一部分。為了了解超新星如何影響地球生命的延續(xù)，科學(xué)家需要將其爆發(fā)的時(shí)間與地球上的關(guān)鍵事件聯(lián)系起來(lái)，比如大滅絕或演化跳躍。要做到這一點(diǎn)，唯一的方法就是追蹤超新星爆發(fā)在地球上沉積的碎片，即在我們星球上找到那些主要在超新星內(nèi)部融合的元素。

　　稀有放射性金屬的衰變很緩慢，因此其存在就成為一顆恒星死亡的確鑿證據(jù)。最有希望的一個(gè)候選者是 Fe-60，一種比常規(guī)同位素多 4 個(gè)中子的鐵同位素，其半衰期約為 260 萬(wàn)年。然而，尋找散落在地球表面的 Fe-60 原子并非易事，只有非常少量的 Fe-60 會(huì)到達(dá)我們的星球。在陸地上，F(xiàn)e-60 會(huì)被天然鐵稀釋，或者經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)年的侵蝕，最終被水沖走。

　　于是，科學(xué)家將目光投向大海底部，發(fā)現(xiàn)錳鐵結(jié)殼中就含有 Fe-60 原子。這些巖石的形成過(guò)程有點(diǎn)像石筍：都是從液體中沉淀出來(lái)，一層一層地沉積累加，只不過(guò)錳鐵結(jié)殼由金屬組成，形成較寬廣的殼狀，而不像石筍那樣是單獨(dú)的尖錐體。錳鐵結(jié)殼主要由鐵和錳氧化物組成，也含有元素周期表上幾乎所有金屬的微量元素，從鈷到釔。

　　當(dāng)鐵、錳和其他金屬離子從陸地沖刷到海水中，或者從海底火山口噴出來(lái)的時(shí)候，它們會(huì)與海水中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成固體物質(zhì)，沉淀到海底或四處漂浮，直到附著在現(xiàn)有的硬殼上，錳鐵結(jié)殼在海底巖石地帶最初形成的確切過(guò)程仍然是一個(gè)謎，一旦第一層累積起來(lái)，更多的巖層就會(huì)不斷堆積，最終可厚達(dá) 25 厘米。

　　因此，錳鐵結(jié)殼可以被當(dāng)作“宇宙歷史學(xué)家”，它們記錄了海水的化學(xué)成分變化，包括一些能夠指示垂死恒星的元素。20 世紀(jì) 80 年代，地質(zhì)學(xué)家在夏威夷西南部打撈出了最古老的錳鐵結(jié)殼之一，它可以追溯到 7000 多萬(wàn)年前。當(dāng)時(shí)，恐龍還在地球上游蕩，而印度次大陸只是南極洲和亞洲之間的一座島嶼。

　　錳鐵結(jié)殼的生長(zhǎng)是科學(xué)上已知最慢的過(guò)程之一，每百萬(wàn)年只增加約 5 毫米。相比之下，人類的指甲生長(zhǎng)速度大約快 700 萬(wàn)倍。原因其實(shí)很簡(jiǎn)單，海洋里每十億個(gè)水分子中只有不到 1 個(gè)鐵或錳原子，它們必須抵抗過(guò)往洋流的拉力和其他化學(xué)相互作用的影響，才能在新一層結(jié)殼中固定下來(lái)。

　　與生長(zhǎng)緩慢的錳鐵結(jié)殼不同，超新星爆發(fā)幾乎是瞬間發(fā)生的。在最常見的超新星類型中，恒星先耗盡氫和氦燃料，之后其核心開始燃燒較重的元素，直到最終產(chǎn)生鐵。這個(gè)過(guò)程可能需要數(shù)百萬(wàn)年，但恒星的最后時(shí)刻只需要幾毫秒。隨著重元素在恒星核中積累，核心變得不穩(wěn)定并發(fā)生內(nèi)爆，以四分之一的光速將外層物質(zhì)吸進(jìn)核心。但是核心中粒子的密度很快就阻止了內(nèi)爆，引發(fā)了一場(chǎng)大爆炸，將一大團(tuán)恒星碎片射向太空，其中就包括 Fe-60 同位素，有些就最終落到了錳鐵結(jié)殼中。

　　克勞斯·克尼(Klaus Knie)是最早在錳鐵結(jié)殼中尋找 Fe-60 的人之一，當(dāng)時(shí)他是德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。不過(guò)，他的團(tuán)隊(duì)既沒(méi)有研究超新星，也沒(méi)有研究錳鐵結(jié)殼，而是在開發(fā)測(cè)量各種元素稀有同位素的方法，包括 Fe-60。當(dāng)時(shí)另一位科學(xué)家測(cè)量了鈹?shù)囊环N同位素，而這種同位素剛好可以用來(lái)確定錳鐵結(jié)殼的年代。于是，克勞斯·克尼決定檢測(cè)同一樣品的 Fe-60。此時(shí)他已經(jīng)知道，F(xiàn)e-60 是在超新星中產(chǎn)生的。如今在亥姆霍茲重離子研究中心工作的克尼說(shuō)：“我們是宇宙的一部分，如果我們找對(duì)了地方，我們就有機(jī)會(huì)把這種‘天體物理’物質(zhì)握在手中。”

　　該研究所用的錳鐵結(jié)殼也是從離夏威夷不遠(yuǎn)的海底獲取的。檢測(cè)結(jié)果表明，地點(diǎn)確實(shí)選對(duì)了?？藙谒?middot;克尼和同事們發(fā)現(xiàn)有一層結(jié)殼出現(xiàn)了一個(gè) Fe-60 尖峰，可以追溯到大約 280 萬(wàn)年前，這標(biāo)志著當(dāng)時(shí)一顆鄰近恒星的死亡。這一發(fā)現(xiàn)具有重要的意義。這是在地球上能夠找到超新星殘余的第一個(gè)證據(jù)，精確指出了鄰近宇宙中上一次超新星爆發(fā)的大致時(shí)間(如果有更近的事件，研究人員可能就會(huì)發(fā)現(xiàn)更近的 Fe-60 尖峰)。不過(guò)，該發(fā)現(xiàn)也使克尼提出了一個(gè)有趣的演化理論。

　　根據(jù)錳鐵結(jié)殼中 Fe-60 的含量，克尼估計(jì)超新星爆發(fā)的位置距離地球至少 100 光年。這個(gè)距離是臭氧層可能被摧毀的距離的三倍，但已經(jīng)足以潛在地改變?cè)茖有纬?，從而改變氣候。雖然 280 萬(wàn)年前沒(méi)有發(fā)生過(guò)大規(guī)模物種滅絕事件，但確實(shí)發(fā)生了一些劇烈的氣候變化，而這些變化可能促進(jìn)了人類的演化。大約在那個(gè)時(shí)候，非洲的氣候變得干燥，導(dǎo)致森林萎縮，取而代之的是大片的草原?？茖W(xué)家認(rèn)為，這種變化可能促進(jìn)了我們的原始人類祖先從樹上下來(lái)，最終開始用兩條腿走路。

　　這個(gè)想法，和任何年輕的理論一樣，仍然是推測(cè)性的，也有學(xué)者對(duì)此持反對(duì)意見。一些科學(xué)家認(rèn)為，F(xiàn)e-60 可能是由隕石帶到地球上的，而另一些科學(xué)家則認(rèn)為，數(shù)百萬(wàn)年前的這些氣候變化可以用溫室氣體濃度下降，或南北美洲之間的海洋通道關(guān)閉來(lái)解釋。不過(guò)，克尼等人的研究確實(shí)為科學(xué)家提供了新的工具，使他們能夠確定經(jīng)過(guò)地球附近的其他可能更古老的超新星的年代，并研究它們對(duì)地球的影響。菲爾茲表示，我們可以利用這些顏色暗淡、生長(zhǎng)緩慢的巖石來(lái)研究恒星爆發(fā)的快速發(fā)光現(xiàn)象，這相當(dāng)了不起，而在未來(lái)，它們?yōu)槲覀冎v述更多的故事。
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