一颗恒星的爆发会如何影响地球上的生命？

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·格拉尔斯登上了一架飞往澳大利亚内陆的军用飞机。格拉尔斯携带了一些特殊物品:一个聚乙烯太空气球和一组他刚刚在实验室建造的辐射探测器。他的目的地是爱丽斯泉，北部地区的一个偏远城镇。在那里，格拉尔斯将使用这些设备来一窥地球大气层上方宇宙中最令人兴奋的事件之一:超新星爆炸，它位于银河系附近的卫星星系中。

像许多超新星一样，SN 1987A宣布了一颗大质量恒星的剧烈坍缩。这次爆发的独特之处在于它非常靠近地球。这是自1604年开普勒超新星(SN 1604)以来最新的超新星爆炸。SN 1604是迄今为止银河系中最后一颗可见的超新星。德国天文学家开普勒记录了这次爆炸，这也记录在中国的明朝历史上。自SN 1604以来，科学家们提出了许多问题，为了回答这些问题，有必要进一步观察新的超新星事件。一个问题是:超新星离毁灭地球上的生命有多近？

早在20世纪70年代，研究人员就认为来自附近超新星的辐射会破坏地球的臭氧层，使动植物暴露在有害的紫外线下，并进一步导致大规模灭绝。根据SN 1987A的新数据，Gralls现在可以计算理论上的“毁灭半径”，也就是说，这个半径内的超新星将会产生严重的影响。此外，他还能计算出在这个半径范围内垂死恒星出现的概率。

最重要的是，可能有一颗超新星离地球足够近，每十亿年左右就会对地球的臭氧层产生巨大的影响。然而，这种情况并不经常发生，也没有恒星威胁到太阳系。然而，地球已经存在了46亿年，生命的时间大约是地球历史的一半，这意味着超新星爆炸可能发生在过去的某个时间。问题是，这次爆发到底是什么时候发生的？此外，由于超新星主要影响大气，因此很难找到确凿的证据。

天文学家在银河系周围的宇宙中寻找线索，但是超新星最令人信服的证据来自海底。这听起来有点矛盾。在水下山脉裸露的基岩上，一种叫做铁锰结壳的黑色矿物正在缓慢生长，速度慢得令人难以置信。在这种矿物的薄层结构中，记录了地球的历史，从中我们可以获得邻近超新星的第一个直接证据。

对科学家来说，这些关于古代超新星爆炸的线索非常有价值。他们推测超新星可能在地球生命进化中扮演了一个鲜为人知的角色，这一事件可能是地球生命故事的一部分。为了理解超新星如何影响地球上生命的延续，科学家需要将它们的爆发时间与地球上的关键事件联系起来，如大规模灭绝或进化跳跃。做到这一点的唯一方法是追踪超新星爆炸沉积在地球上的碎片，也就是说，找到我们星球上主要融合在超新星内部的元素。

稀有放射性金属衰变非常缓慢，因此它们的存在成为恒星死亡的确凿证据。最有希望的候选者之一是铁-60，一种比传统同位素多4个中子的铁同位素，半衰期约为260万年。然而，要找到散布在地球表面的铁-60原子并不容易，只有极少量的铁-60会到达我们的星球。在陆地上，铁-60会被天然铁稀释，或者被侵蚀几百万年，最终被水冲走。

因此，科学家将目光转向海底，发现铁锰结壳含有铁-60原子。这些岩石的形成过程有点像石笋:它们都是从液体中沉淀出来并一层一层地积累起来的，除了铁锰结壳是由金属组成并形成一个更宽的壳状，而不是像石笋一样的单个尖锥。铁锰结壳主要由铁和锰的氧化物组成，还含有元素周期表中几乎所有金属的微量元素，从钴到钇。

当铁、锰和其他金属离子从陆地被冲入海水或从海底火山口喷射出来时，它们会与海水中的氧发生反应，形成固体物质，这些固体物质会沉淀到海底或四处漂浮，直到它们附着在现有的地壳上。海底岩石区铁锰结壳最初形成的确切过程仍是一个谜。一旦第一层堆积起来，更多的岩层将不断堆积，最终达到25厘米的厚度。

因此，铁锰结壳可以被视为“宇宙历史学家”，记录海水化学成分的变化，包括一些可以指示垂死恒星的元素。20世纪80年代，地质学家在夏威夷西南部发现了最古老的铁锰结壳之一，可追溯到7000多万年前。那时，恐龙在地球上游荡，而印度次大陆只是南极洲和亚洲之间的一个岛屿。

铁锰结壳的生长是科学上已知的最慢的过程之一，每百万年仅增长约5毫米。相比之下，人类指甲的生长速度大约快700万倍。原因其实很简单。海洋中每十亿个水分子中只有不到一个铁或锰原子。在它们被固定在新的地壳层之前，它们必须抵抗过去洋流和其他化学作用的拉力。

与生长缓慢的铁锰结壳不同，超新星爆发几乎是瞬间发生的。在最常见的超新星类型中，恒星首先耗尽氢和氦燃料，然后它们的核心开始燃烧较重的元素，直到最终产生铁。这个过程可能需要几百万年，但是恒星的最后时刻只需要几毫秒。随着重元素在恒星核心积累，核心变得不稳定并内爆，以光速的四分之一将外层物质吸进核心。但核心中的粒子密度很快阻止了内爆，引发了一场大爆炸，将大量恒星碎片送入太空，包括铁-60同位素，其中一些最终落入铁锰结壳。

克劳斯·克尼是第一个在铁锰结壳中寻找铁-60的人，当时他是德国慕尼黑工业大学的实验物理学家。然而，他的团队既没有研究超新星也没有研究铁锰结壳，而是正在开发测量包括铁60在内的各种元素稀有同位素的方法。当时，另一位科学家测量了铍的同位素，可以用来测定铁锰结壳的年代。因此，克劳斯·切尼决定在同一样品中检测铁-60。此时，他已经知道铁-60是由超新星产生的。“我们是宇宙的一部分，如果我们找到了正确的地方，我们就有机会把这种‘天体物理’物质握在手中，”现在在亥姆霍兹重离子研究中心工作的康妮说。

研究中使用的铁锰结壳也是从离夏威夷不远的海底获得的。测试结果显示这个位置确实是正确的。克劳斯·柯尼希和他的同事在一层地壳中发现了一个Fe-60峰，可以追溯到大约280万年前，这标志着当时附近一颗恒星的死亡。这一发现意义重大。这是在地球上发现超新星遗迹的第一个证据，准确地表明了邻近宇宙中最后一次超新星爆炸的大致时间(如果有更近的事件，研究人员可能会发现更近的Fe-60尖峰)。然而，这一发现也让克努特提出了一个有趣的进化理论。

根据铁锰结壳中铁-60的含量，柯尼希估计超新星爆炸的位置距离地球至少100光年。这个距离是臭氧层可能被破坏的三倍长，但它足以潜在地改变云的形成，从而改变气候。尽管280万年前没有大规模灭绝，但有一些剧烈的气候变化可能促进了人类的进化。大约在那个时候，非洲的气候变得干燥，导致森林萎缩，大片草原被取代。科学家认为，这种变化可能促使我们的原始人类祖先从树上下来，最终开始用两条腿走路。

这个想法，像任何年轻的理论一样，仍然是推测性的，一些学者反对它。一些科学家认为Fe-60可能是由陨石带到地球上的，而其他人则认为几百万年前的这些气候变化可以用温室气体浓度的降低或南北美洲之间的海洋通道的关闭来解释。然而，Kony等人的研究确实为科学家们提供了新的工具来确定其他可能更古老的超新星靠近地球的时间，并研究它们对地球的影响。菲尔兹说，我们可以用这些暗淡的、生长缓慢的岩石来研究恒星爆发的快速发光，这是非常了不起的，将来他们会告诉我们更多的故事。