想給地球「殺菌」？炸顆超新星試試

文/ @簡明傑 ，原題《如何給地球「殺菌」？水熊蟲的世界》

截止到現在（2017.7.24），我們已經確認了3499個地外行星，發現了2609個行星系統。在這些地外行星中，有將近80%是由凌星的方法發現的。而隨著新一代的望遠鏡和光譜儀的應用（JWST、TMT等），我們有望在不遠的未來探測到行星大氣的成分，從而由此推斷行星上是否有生命。探測到地外生命的概率由兩個數值決定，一個是所有行星中有生命產生的行星的比例，第二是一個行星從生命誕生到被我們觀測到的時間內生命一直存續的概率。第一個數值比較難估計，但是第二個值對地外生命的探測也是很重要的。這篇文章的內容基本上來自參考文獻[1]，感覺是一個有趣的腦洞。

我們並不能直接計算出生命存續的概率是多大，但是我們知道在天文領域內發生災難性現象的概率是多大。換言之，只要我們數清楚有多少天文現象能給地球「殺菌」，把地球上的所有生命都殺死，就可以知道生命存續的概率有多大了。實際上有不少論文已經對能使人類滅絕的現象給出了結論，如在未來100年內地球遭受2公里大小的小行星或者彗星撞擊的概率是 10^-4[2]，兩億年內地球很可能遭受1次伽馬射線暴和20次超新星爆發[3]。這麼看來人類的生命的確比較脆弱。但是如果我們發揮博愛的精神，將視野放到整個生物圈中，我們能找到一種上天入地無所不能生命力很頑強的生物來代表地球上所有的生命嗎？

還真有。

水熊蟲(Tardigrade)

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

緩步動物門（學名：Tardigrata）是動物界的一個門，是俗稱水熊蟲的一類小型動物，主要生活在淡水的沉渣、潮濕土壤以及苔蘚植物的水膜中，少數種類生活在海水的潮間帶。有記錄的大約有750餘種，其中許多種是世界性分布的。在喜馬拉雅山脈（海拔6000米以上）或深海（海拔4000米以下）都可以找到它們的蹤影。從此直至今天，人們對緩步動物在動物分類中的位置、形態學、生活方式、組織學以及其隱生性的研究興趣就有增無減。

緩步動物也是第一種已知可以在太空中

維基百科

因為長著像熊爪的爪子，所以這個很小（不超過1.5mm）的動物被稱為水熊蟲。水熊蟲可以在151或者-272攝氏度的環境中生存幾分鐘，在真空、高壓或者高輻射的環境里也沒有問題；有幾隻甚至在太空中成功地進行了繁殖。如果你想殺死一隻水熊蟲，請看這裡。

既然水熊蟲的生命力這麼頑強，將水熊蟲殺死需要什麼樣的條(nao)件(dong)呢？

將海洋煮沸

生活在陸地上的我們是很脆弱的：大氣層溫度的變化會將我們凍死/熱死、強烈的輻射會使臭氧層消失，把我們暴露在輻射環境中。但是海洋對外界環境的變化沒有那麼敏感。即使是小行星撞擊帶來的低溫也不會使海洋有很大的改變（恐龍很可能因為小行星撞擊而滅絕了，但90%種類的魚類仍然存活了下來）；同時即使地球遭受著很強的高能輻射，海水會大量吸收使得海平面幾米以下的海洋輻射量仍維持在正常的水平。所以海洋是維持生命存續的一道屏障。

但是海水吸收了輻射之後溫度會上升，所以幾位作者（通過他們的腦洞）想到了：如果某個天文現象可以通過加溫的方式移除海洋，那麼海洋變成陸地，大家不就都完了么？同時作者希望對概率做一個上限的估計，所以就放寬了一點條件：我們所能考慮的天文現象（小行星撞擊、超新星爆發和伽馬射線暴）中，能把海洋煮沸的現象發生的概率有多大？

根據海水的比熱容和質量，我們可以算出讓海水升溫100攝氏度需要的能量是5.6×10^26J，這相當於半個多地球大小的TNT炸藥爆炸所產生的能量。

假設這些能量全部由一個小行星從無窮遠處落到地球表面的動能提供，那麼我們需要一個質量大於1.7×10^18 kg的小行星。這樣的小行星太陽系裡面有（比如灶神星和智神星），但是不多，加起來也只有19顆。模型預測的地球被不同質量小行星撞擊的概率如下：

小行星撞擊概率隨質量的關係。虛線表示能滅絕地球上所有生命的質量範圍；來自參考文獻[1]

可以看出概率在10^?9每十億年的量級。

超新星爆發時所拋射的能量很大，但是能量會向四面八方擴散，地球需要離超新星足夠近才能得到夠多的能量將海水煮沸。這個距離是多少呢？0.04秒差距，也就是0.13光年。比鄰星距離我們4.22光年，所以即使在比鄰星的距離上發生了超新星爆發，海洋的溫度也只會上升0.1攝氏度。

利用銀河系模型，我們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。

來自參考文獻[1]

雖然看起來銀心和銀道面的概率挺高，但是整體的量級都在10^?6每十億年以下。

對伽馬射線暴的計算和超新星類似；不同的是我們可以假設伽馬射線暴呈噴流狀，能量會更集中。這樣的話能夠煮沸海洋的距離就變為了13.8秒差距，比超新星遠了很多。但是因為伽馬射線暴的發生概率比超新星的小，所以能夠殺死地球上所有生物的伽馬射線暴產生概率只有3.2×10^?10，比前兩種可能性低很多。

總的來說，通過這三種方法給地球「殺菌」成功的可能性只有10^?7每十億年，也就是每一百億億年一次。

沒有別的辦法了嗎？

有，太陽。太陽在生命的晚期會膨脹，最終變成白矮星。即使膨脹的時候不足以使地球上的海洋沸騰，太陽死亡之後長時間的低溫也能滅絕地球上所有的生物（包括水熊蟲）。除非地球在太陽膨脹的時候被拋離太陽系，然後被另外一個恆星捕獲。

無論如何，這篇文章的結論是相對樂觀的：一旦生命在行星中產生，就很難被滅絕。但是這個難是對於水熊蟲來說的，或許有朝一日地球會變成水熊蟲的世界？

參考文獻

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).

歡迎關注同名微信公眾號「天文八卦學」（Astrobaguaology）。