擁擠的天空

從當(dāng)代天文學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，宇宙比人們通常想象的要廣得多，要深得多。從微觀原子核到整個(gè)可觀察到的宇宙，物理世界在空間上運(yùn)行了39個(gè)數(shù)量級(jí)。到目前為止，數(shù)千億星系分散在人類可以觀測(cè)到的太空中。每個(gè)星系都由數(shù)千億顆恒星、星際氣體和塵埃組成，幾乎每個(gè)恒星都是太陽(yáng)。太陽(yáng)所在的銀河系只是數(shù)億星系中的一個(gè)普通成員，而整個(gè)太陽(yáng)系，包括地球等八大行星，在浩瀚的宇宙中顯得如此之小，就像清晨天空中飛揚(yáng)的塵埃粒子。太陽(yáng)系和地球形成于約46億年前。除了主要行星及其衛(wèi)星外，太陽(yáng)系還包括小行星、彗星和其他天體。在火星和木星之間，有成千上萬(wàn)大小和形狀各異的小行星，它們以橢圓軌道圍繞太陽(yáng)運(yùn)行。這個(gè)地區(qū)被稱為小行星帶。此外，還有無(wú)數(shù)彗星和其他小天體漂浮在行星際空間。這樣，地球和各種小天體之間的相互作用甚至直接碰撞都很可能發(fā)生。

古代傳說(shuō)

關(guān)于地球形成后的演化過(guò)程，歷史上有兩種不同的觀點(diǎn)：同質(zhì)變化理論和災(zāi)難性變化理論。均勻變分理論認(rèn)為地球是一個(gè)孤立的系統(tǒng)。它認(rèn)為，地質(zhì)時(shí)代和古生物演化的所有變化都可以從地球上可用的物理和化學(xué)過(guò)程來(lái)解釋，例如火山爆發(fā)、風(fēng)化、沉積、板塊運(yùn)動(dòng)和其他物理和化學(xué)進(jìn)程。相比之下，大災(zāi)變理論認(rèn)為地球并非孤立的，外來(lái)天體的影響不容忽視，甚至可能在地球的發(fā)展史上發(fā)揮決定性作用。特別是，一些地質(zhì)時(shí)期的劃分可能是由幾次超大型天體撞擊造成的。

19世紀(jì)初，災(zāi)變理論一度流行，但后來(lái)“一切變化”理論逐漸盛行。這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們習(xí)慣于從地球本身尋找大規(guī)模滅絕和大陸漂移的原因。20世紀(jì)60年代前后，隨著觀念的轉(zhuǎn)變和科學(xué)的進(jìn)步，災(zāi)變理論重新受到關(guān)注。

古生物學(xué)研究表明，地球上生命的發(fā)展并不是從低到高逐漸演變的。化石記錄表明，在穩(wěn)定的演化過(guò)程中，不時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些短期事件。在地球歷史上，發(fā)生了許多大規(guī)模的生物滅絕事件，其特點(diǎn)是大量生物物種在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)突然消失，一些新物種出現(xiàn)。用小物體撞擊事件來(lái)解釋這種生物的大規(guī)模滅絕是很自然的。在過(guò)去幾億年中，這種影響可能發(fā)生過(guò)6至7次，同一時(shí)期也發(fā)生過(guò)同樣數(shù)量的全球滅絕事件。影響的數(shù)量和滅絕事件的數(shù)量之間似乎存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。1980年，加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)明確提出，白堊紀(jì)和第三季度之間的尖銳邊界是由10公里尺度的小行星猛烈撞擊造成的。這一事件的力量足以改變整個(gè)地球的生物和地質(zhì)環(huán)境，造成全球?yàn)?zāi)難的嚴(yán)重后果。其后果之一是6500萬(wàn)年前統(tǒng)治地球的恐龍瞬間消失。

想象一下，一顆直徑為10公里的小行星以每秒數(shù)十公里的速度撞擊陸地，釋放的能量約為160萬(wàn)億噸TNT炸藥，相當(dāng)于地球上每平方公里一顆氫彈。結(jié)果，只需幾分鐘，就會(huì)形成一個(gè)直徑約200公里的大坑，并將拋出近10萬(wàn)立方公里的粉塵。形成的防塵幕將在幾年內(nèi)阻止陽(yáng)光照射到地面。植物由于不能進(jìn)行光合作用而大量死亡，從而威脅動(dòng)物的生存。大型動(dòng)物最先受到災(zāi)難的沖擊。上升的灰塵和高溫蒸汽通過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)生成大量一氧化氮，并破壞臭氧層。幾年后，當(dāng)防塵幕消失時(shí)，太陽(yáng)的紫外線直射進(jìn)來(lái)，對(duì)地面上的所有生物造成了極其致命的傷害。

海洋約占地球總面積的71%，因此小型物體更容易墜入海洋。一個(gè)10公里大小的小天體的撞擊可以在海底形成一個(gè)直徑超過(guò)500公里的巨大隕石坑。在撞擊點(diǎn)附近，海水掀起了幾公里高的巨浪。當(dāng)海浪涌向陸地時(shí)，超級(jí)海嘯將摧毀陸地上的一切。伴隨著猛烈的沖擊，全球超級(jí)地震也出乎意料地發(fā)生了。板塊運(yùn)動(dòng)極其劇烈，火山接踵而至。總之，當(dāng)各種暴力活動(dòng)再次平息時(shí)，地球表面的生物和物理環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了無(wú)法識(shí)別的變化。

遲到的證據(jù)

在太陽(yáng)系的尺度上，小天體與其他天體碰撞是一種常見的現(xiàn)象。月球和地球是近鄰，當(dāng)受到小天體的影響時(shí)，它們的外部環(huán)境應(yīng)該是相似的。月球上到處都是不同大小的隕石坑，包括直徑超過(guò)1公里的33000多個(gè)。其中大多數(shù)是小天體撞擊月球表面的結(jié)果。月球既沒有地球的大氣屏障，也沒有風(fēng)化和水蝕；數(shù)十億年前形成的隕石坑可以很好地保存下來(lái)。相反，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里，由于各種風(fēng)化、地殼運(yùn)動(dòng)、海平面變化等因素，地球上大多數(shù)隕石坑很難找到。

根據(jù)月球地質(zhì)研究的結(jié)果，并利用物理學(xué)的撞擊理論進(jìn)行估算，發(fā)現(xiàn)自35億年前以來(lái)，地球每隔5800萬(wàn)年左右就會(huì)受到一個(gè)直徑約10公里的小天體撞擊，形成一個(gè)直徑大約200公里的撞擊坑。雖然上述理論計(jì)算的結(jié)果相當(dāng)不確定，但從天文學(xué)的角度來(lái)看，小天體撞擊地球所造成的災(zāi)難性后果并不罕見。

為了找到一個(gè)直徑約200公里的隕石坑，以證明曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的小型物體撞擊事件，地質(zhì)學(xué)家經(jīng)常在地球上旅行。然而，在地球表面找到一個(gè)面積達(dá)5億平方公里的“小”坑并不容易？進(jìn)行大規(guī)模的全球人口普查顯然是不現(xiàn)實(shí)的，這需要有針對(duì)性地搜索。

小天體與海洋的碰撞事件，在超巨浪的猛烈沖刷下，會(huì)形成由大量隨機(jī)粗糙巖石碎片組成的厚沉積層，地球上有此類沉積物的區(qū)域集中在加勒比海灣周圍。但有一段時(shí)間，在那里的土地上甚至沒有發(fā)現(xiàn)小隕石坑。這種轉(zhuǎn)變發(fā)生在20世紀(jì)70年代末。根據(jù)墨西哥尤卡坦半島的航磁測(cè)量數(shù)據(jù)和重力圖，在半島北部地下深處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)直徑180公里的巨大圓形地貌。后來(lái)，從衛(wèi)星圖像中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)有許多大型石灰石隕石坑，形成了直徑約170公里的幾乎完整的半圓形結(jié)構(gòu)。這就是著名的奇克蘇盧布隕石坑。1990年，在該地區(qū)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了含有玻璃隕石和沖擊石英顆粒的巖石碎片，此類材料只能在劇烈沖擊造成的高溫和壓力下形成。通過(guò)研究，隕石坑的地質(zhì)年齡與恐龍滅絕的時(shí)間是一致的，因此突變理論最終得到了證實(shí)。

“額外士兵”

在20世紀(jì)初，即1908年，西伯利亞發(fā)生了一次令人驚嘆的爆炸，這也被認(rèn)為是天空外巨大隕石的“杰作”。爆炸震動(dòng)了數(shù)千英里，摧毀了周圍60公里的森林，蘑菇云上升到20公里的高度。它的力量是驚人的！然而，爆炸現(xiàn)場(chǎng)后來(lái)沒有發(fā)現(xiàn)隕石碎片或大型隕石坑。在此基礎(chǔ)上，人們認(rèn)為彗星可能已沖入地球大氣層。由于彗星核主要由冰組成，這很可能是一次罕見的巨型隕石冰事件：一個(gè)巨型彗星核碎片高速?zèng)_入大氣層，其對(duì)空氣的巨大沖擊導(dǎo)致了一次驚天動(dòng)地的爆炸！

另一方面，通古斯事件的撞擊能量約為數(shù)千萬(wàn)噸TNT當(dāng)量，僅為10km小天體撞擊地球時(shí)釋放能量的幾百萬(wàn)分之一。在地球近3.5億年的歷史中，此類大規(guī)模撞擊事件可能已經(jīng)發(fā)生過(guò)多次。根據(jù)同樣的原理，如果通古斯天體的直徑為100米，那么地球平均每5000年就會(huì)發(fā)生一次“通古斯”撞擊事件。顯然，這種估計(jì)應(yīng)該有一個(gè)前提：小天體的撞擊率必須在幾十億年內(nèi)保持不變，對(duì)月球上不同歷史時(shí)期產(chǎn)生的隕石坑的詳細(xì)分析表明，情況確實(shí)如此。應(yīng)該注意的是，一旦一個(gè)小天體撞擊地球或其他天體，它就會(huì)消失，或者碰撞會(huì)減少一個(gè)小物體。那么，為什么影響率能夠長(zhǎng)期保持不變呢？

事實(shí)證明，在小天體的世界里，可能有源源不斷的“額外士兵”來(lái)自?shī)W爾特云，這是一個(gè)由10萬(wàn)天文單位（1個(gè)天文單位約為1.5億公里）的彗星組成的大型倉(cāng)庫(kù)。那里有多達(dá)1000億顆彗星，可以說(shuō)是取之不盡的。奧爾特云中的彗星經(jīng)常在外部重力的干擾下離開“倉(cāng)庫(kù)”，向太陽(yáng)系內(nèi)部移動(dòng)，進(jìn)一步受到大行星的擾動(dòng)，甚至成為小型近地天體，對(duì)地球構(gòu)成巨大威脅。

地球外碰撞似乎很常見

在20世紀(jì)，有一個(gè)顯著的彗星現(xiàn)象，即彗星“Sumek Levy 9”于1994年7月17日至22日撞擊木星。早在事件發(fā)生前一年就對(duì)彗星進(jìn)行了觀測(cè)，并預(yù)測(cè)了撞擊時(shí)間。后來(lái)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)彗星分裂成22塊碎片，相距16萬(wàn)公里。為了準(zhǔn)備這次觀測(cè)，天文學(xué)家使用了各種觀測(cè)方法，包括可見光、紅外線、紫外線和無(wú)線電，一些天文學(xué)家甚至遠(yuǎn)赴南非、澳大利亞和南極洲組織觀測(cè)。中國(guó)科學(xué)院北京天文臺(tái)2.16米望遠(yuǎn)鏡、上海天文臺(tái)1.56米望遠(yuǎn)鏡和云南天文臺(tái)1米望遠(yuǎn)鏡也積極參與觀測(cè)。

正如預(yù)測(cè)的那樣，撞擊事件準(zhǔn)時(shí)發(fā)生。在五天的時(shí)間里，彗星碎片以每秒60公里的速度相繼撞擊木星。當(dāng)時(shí)，木星上空雷鳴般，伴隨著猛烈的爆炸和閃光。撞擊也在木星大氣層中留下了引人注目的黑點(diǎn)，撞擊期間釋放的總能量相當(dāng)于數(shù)十萬(wàn)億噸黃色炸藥的爆炸威力。這是太陽(yáng)系天體間極為罕見的碰撞事件，為人類了解太陽(yáng)系天體之間的碰撞現(xiàn)象提供了寶貴的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

攔截空中“游客”

“通古斯事件”和“彗星木星碰撞事件”的出現(xiàn)表明，今天仍有小物體碰撞的可能性。有人指出，彗星和小行星的撞擊對(duì)地球造成的最大威脅來(lái)自直徑0.5至5公里的小天體。據(jù)估計(jì)，這一范圍內(nèi)的近地天體總數(shù)約為10000個(gè)，撞擊地球時(shí)釋放的能量相當(dāng)于10億至10萬(wàn)億TNT，可能造成大規(guī)模破壞性影響，甚至全球?yàn)?zāi)難。

在這方面，人們正在認(rèn)真考慮對(duì)策。顯然，首先，必須找到可能引起麻煩的小天體，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其軌道運(yùn)動(dòng)，這需要廣泛的國(guó)際合作。美國(guó)目前正在建造的8.4米大型Synaptic勘測(cè)望遠(yuǎn)鏡（LSST）將于2016年投入使用，它可以檢測(cè)所有天體，如最暗的24.5米天體，包括太陽(yáng)系中的小天體。據(jù)估計(jì)，在LSST滿負(fù)荷運(yùn)行8年后，可以找到所有直徑超過(guò)140米的威脅地球的小物體。一旦確認(rèn)一個(gè)（或多個(gè)）大型小型天體將在未來(lái)某個(gè)時(shí)間撞擊地球并對(duì)人類構(gòu)成嚴(yán)重威脅，我們就應(yīng)該設(shè)法消除此類威脅。

以目前人類的科技水平，我們完全有能力盡早發(fā)射宇宙飛船，攔截這些不受歡迎的“外星訪客”，并采取有效措施避免危險(xiǎn)。為此，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了許多“聰明的計(jì)劃”。一種方法是在小物體附近引爆威力強(qiáng)大的氫彈，以適當(dāng)改變小物體的路徑，從而消除潛在威脅。另一個(gè)例子是在一個(gè)小物體附近組裝一個(gè)巨大的太陽(yáng)能烤箱，將太陽(yáng)光的能量集中起來(lái)，使小物體材料升華和蒸發(fā)。由于質(zhì)量的減少，小物體的運(yùn)動(dòng)軌道將改變，從而避免地球上的災(zāi)難。有些人甚至設(shè)想在小物體上安裝一些大型帆式裝置，并利用太陽(yáng)風(fēng)和光壓將導(dǎo)致事故的小物體“吹”離原軌道，這樣地球上潛在的“殺手”就不再存在?？傊?，盡管天體撞擊造成的災(zāi)難性后果極其嚴(yán)重，但讀者無(wú)需擔(dān)心。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)完全有能力阻止人類重蹈恐龍滅絕的覆轍。