近地小行星的威胁

近地小行星的威胁——可能演变成潜在地球杀手的天体同志们好，很高兴有机会和大家见面，跟大家讲解天文。我叫李竞，我的工作单位是中国科学院国家天文台，我现在是中国科学院老科学家科普演讲团的成员。我想讲跟我们大家都有关系的一个天文问题，题目叫做《近地小行星的威胁——可能演变成潜在地球杀手的天体》。1、小行星曾撞击过地球1.1恐龙的灭绝我们先从地质古生物切入，地质学告诉我们，恐龙是出现在离现在2.1亿年前的“三叠纪”和“侏罗纪”之交，就是这两个地质史上两个地界之交，据今是2.1亿年,这个时候标志性就恐龙诞生。恐龙是什么时候灭绝的呢？地质史告诉我们，是六千五百万年前，“白垩纪”和“第三纪”之交，恐龙灭绝。所以恐龙在地球上生活了1.6亿年。同志们可能要问了，这个纪年是怎么知道的？地质学家应用了物理方法，根据放射性物质的衰变，可以计量一个化石、一件器物、一件出土文物的年龄，这个相当精确，这是一个科技手段在地质学、古生物学中的应用。这个纪年现在不是问题。恐龙为什么会灭绝？我们先说什么叫生物灭绝？根据地质、古生物的考察，在最近五亿年以来，至少有五次生物生命的大规模的灭绝。什么叫大规模的？就是地球上的生物、动物、植物和其它，60%、70%成批的消失，甚至更高，高到80%，90%，甚至90%多的，这就叫生物灭绝。而最近这五亿年来，确切的证据有五次生物灭绝。恐龙是距今最近一次，是六千五百万年前的那次灭绝。那次生物灭绝大概是90%以上，遗留下来的非常少，比如说鳄鱼、鲨鱼，可能是那个时候留下来的。大家都知道，几乎所有的哺乳类动物都是这个时候，当然我们人也是六千五百万年前，恐龙灭绝之后的，我们与恐龙没有什么渊源。恐龙为什么在地球上称王称霸1.5-1.6亿多年，而突然间在地球上消失！怎么叫突然间在地球上消失呢？就是现在所发掘出来的恐龙化石，经过地质科学家们在实验室对它进行辨验，计算它的年龄，所有的恐龙化石没有例外，都是六千五百万年前，就是说六千五百万年前到现在就不再有恐龙了，都老于六千五百万年前。从这样判断，六千五百万年前，经过某一件事件，突然间恐龙就没有了，这一点是没有疑问的。可是恐龙在地球上称王称霸一亿多年，我们人类也不过四百万多年，那个是以亿计，这同百万计差了两个量级了。那么恐龙在地球上一亿多年的称王称霸，怎么就突然不见了呢？在几百年前，盛行的达尔文说，就是适者生存，就是根据适者生存说，科学家认为恐龙的灭绝，就是因为地球的变冷或变热，或者是地震或是某种灾害，它不适应而消灭。在这方面，曾经认为适者生存说可以说是通的。但是天文学家提出挑战，天文学家认为恐怕不那么简单。因为天文学家形象的说，恐龙是经风雨，见世面的。怎么见得呢？就是在恐龙存在的1.5亿到1.6亿年间，有三次地磁反向。什么叫地磁反向？就是地磁的南极变北极，北极变南极。在人类历史上，我们还没有经历过这个。可是在过去在地质史上，隔个几百万年、几千万年就有一个地磁反向。来源何在？现在还不清楚。这有过地磁反向的，我们古地磁学有确切的证据。而在过去一亿多年曾经有三次南极变北极，北极变南极。南极变北极，北极变南极的过程中，地球环境要大大的改变。而这个改变，恐龙都扛过来了。另外还有，这个是非天文学家一般注意不到的，就是恐龙存在的这一亿多年，太阳系曾经有三次跨过了银河旋臂。什么叫跨过了银河旋臂？大家来看一个图。这有个示意图，这个示意图是复制我们的银河系，银河系有上千亿的恒星组成的大集团。这个大集团有亮的地方，有暗的地方，亮的地方是恒星密集的地方，暗的地方是恒星稀疏的地方。这样的结构形成了一个旋涡似的，因此我们的银河系被称为旋涡星云、旋涡星系。这些亮的东西，就称为旋涡臂，简称旋臂。而这个旋臂随着整个银河系是逆时针转动，太阳是在一个旋臂附近，这个旋臂的转动，与银河系的转动并不同步。因此在过去1.5亿年1.6亿年间，带动了所有行星的太阳系不断地跨过这个旋臂，它从亮的地方到暗的地方，又到亮的地方，就跨越过这个旋臂。银河系自转一周就需要两亿年，在过去恐龙史存在的1.5亿年期间，银河系已经转了大半个，而我们人类才有几百万年呀，银河系的转动只经历了一点点，而恐龙围绕着银河系转了大半圈。转了大半圈的过程中，太阳系曾经有三次跨过了银河系的旋臂，要是正在银河系的旋臂中，恐龙会看到天空中的亮星非常之多。到了旋臂与旋臂之间的暗区，恐龙看到天空亮星就非常少。而这样的经历我们人类还没有经历过。星多的时候与星少的时候，地球上受到恒星的辐射是不一样的，会有怎么样的感受呢？这个我们也还不大清楚，可这些恐龙都经历过。所以它经历过的世面，环境的改变要比我们经历的强烈的多。所以只用一个适者生存的定律说恐龙不适合环境而消灭，就缺乏强有力的论证，因此天文学家就提出挑战。1.2铱反常现象既然提出挑战，你就要提出是恐龙消灭是什么原因造成的大规模的物种灭绝呢？在1980年有一个美藉的犹太物理学家叫Alvarez，他是核物理学家，他研究放射性物质在全球的分布。他到各地去考察，恐龙灭绝的时候，在地质史上有个专有名词，叫做K/T界。K就是白垩纪拉丁字的字头，就是恐龙在这个时候灭绝了。然后又出现了下个纪，就是第三纪，第三纪的字头就是T。术语叫K/T界，这个界限就标志着距今六千五百万年前。他就发现K/T界有一种放射性元素，这个放射性元素叫做铱，化学表示法是Ir。在K/T界，铱的正常情况同它的放射性元素的比值反常。而铱是一种重元素，在地球上有，可经过上亿年的地球的变迁，地球上存在着的铱逐渐逐渐到地面之下了，地表之下了，因此在地球表面上这种化学元素非常少。可为什么在K/T界的化石中铱要比正常情况要多得多？Alvarez就研究这个，他提出一种假说来，这个K/T界中的铱的元素不是地球上土生土长的，是来自于天外，是一个小天体给我们带来的。在小行星中的铱的含量比地球上多得多，这一点过去早就知道。因此他就说，K/T界中的铱是来自于天外，来自于小天体。根据全球的分布量，他往回推算，同时又把这个样本拿到实验室去计年，这个计年法刚才说过的，就是同位素计年的结果，Alvarez得到一个非常有说服力的论据，就是这个K/T界的年龄是六千五百万年，也就是说铱的存在，是六千五百万年那个时刻内，从天外来到地球。所以他就提出来，六千五百万年前曾经有个小天体撞击地球，造成了全球铱反常。这就是1980年他提出来的与达尔文完全不同的一个角度，认为不是一个渐变，是一个突变，是突发事件造成的铱反常，而铱反常是小天体撞击地球，不仅在地球上生成了一个铱反常的地表，而且出现一个灾难性事件，就是恐龙灭绝。1.3尤卡坦半岛的隐地坑这个学说提出来之后，并没有引起强烈反映，而当时占主导地位的，仍然是适者生存学说。但是没有过几年，到了1990年，有个资源卫星发现在墨西哥湾的一端有一半沉到海底，这个半岛叫尤卡坦半岛，南端沉到海底去了。这个资源卫星就探测到伸到海底的那一部分，下面有一个大坑，这个大坑的直径可以长到一千八百千米。这样一个大坑现在在地表上看不见，因为有一端已经伸入海底去了。就派蛙人到下面去考察，去取样，拿到实验室来给它计算年龄。结果就发现这个大坑被称为隐地坑，是被撞出来的，这个大坑的年龄是六千五百万年。Alvarez的学说，第一，他认为铱是来自于天外，什么时候来的呢？是六千五百万年前。而现在来自于六千五百万年前的小天体在地球上撞了一个坑，都找到了。然后再有一件事情，就是恐龙的灭绝。三件事情都合在一起了。六千五百万年前，一个小天体把铱带到地球，撞击了一个坑，这个坑就是那个时候形成的，六千五百万年前。然后六千五百万年前时恐龙灭绝。所以到1990年，Alvarez的学说就变成了一个倍受关注的假说，而这个假说，公众们认为可以接受，而且很可能接近实际情况。大家看这一幅图，这就是墨西哥湾，这就是尤卡坦半岛这个大坑的位置。从资源卫星做的这个地形图就是这样的，这就是那个坑，长径是一千八百公里。所以现在恐龙的灭绝是由于一次事件，而这个事件来自于天外，成为大家公认的、最有希望的、最有可能的一个学说。根据这个大坑的结果往前推，造成这样一个坑，造成地球上若干厘米厚的K/T界的铱分布，应该有一个小天体，这个小天体的大小，直径要到十公里大小的。只有这么大小的小天体才会产生这么多的铱元素。而撞击的坑，根据这个坑的情况往回推算，它当年曾经以40km/s的速度与地球相击，这个速度火箭也做不出来，只有天体才有这样的速度。子弹才几百米，这是四十千米，这样高速的与地球相击，相击的结果就是造成一个动能，这个动能相当于一百二十万次8级地震，这是可怕的。或者相当于五十亿个原子弹，一个原子弹就能把一个城市消灭了。六千五百万年前，这样一个小天体，同地球迎面相撞，根据迎面相撞的结果，它还没有到达地球，因为地球上有大气，磨擦生热，这个小天体就完全化成了气体，它本身已经逐渐的化成灰烬了。在它前面形成了一个热的气柱，这个气柱温度高达两万度，什么叫高达两万度这样的一个气柱呢？高速来的两万度的气柱，就意味就这个气柱所遇见的一切，动物、植物、石头、海洋，一切都迅速气化，一切都没有了。这个气柱冲出了一个一千八百千米的一个坑，并不是一块石头掉下来的，而是这个气柱冲成的。如果当时尤卡坦半岛有恐龙，恐龙就立刻变成了灰烬了，变成了气。我给大家展示一幅图，这个示意图就是一个十千米大小的小天体，向地球冲出来，这时恐龙遇见了灾难。2、小行星的威胁2.1小行星的来源那么大家就要问了，这个小天体从何而来？现在给大家看一幅太阳系的模型图。中间是太阳，第一颗是水星，然后是金星，这个蓝的是地球，这个红的是火星，这个是木星，这个是土星。但是我告诉同志们，这幅图虽然很漂亮，但是同真实情况差别极大，就是因为我们没有办法按照实际比例，就是天体的大小同天体之间的距离来做模型，这个模型不是不能做，而是太难做了。你们想，要想按比例做，中间这个太阳就要比地球大上一百零八倍、一百零九倍，那么这太阳一画，这个模型就没办法看了。而且距离也极难按比例，如果从太阳到地球叫做1，那么从太阳到木星就是5，太阳到土星就是10，我们这个图就完全不能按照这个比例，否则这个画面就没办法画了。所以无论是天体大小还是天体距离，都不是按比例的。我们都知道在太阳系中，地球之外是火星，火星之外是木星，而火星与木星中间，存在着成千上万个小天体、小行星。既然我们说小天体在火星与木星之间，木星离地球还远着呢，因为太阳到地球的距离是1，太阳光射到地球的时间是八分十九秒，而太阳光线到火星要十二分钟，而到木星要四十分钟，所以十二分钟与四十分钟之间有一个大的空档。在这个大空档中存在着成千上万个小天体、小行星。小行星怎么从遥远处跑到地球上来，撞击地球呢？造成恐龙灭绝，这是怎么回事呢？下面我们看一个示意图，大小按比例了，距离还不是按比例的。这是木星，这是地球，这是火星，这个红的在图上不清楚。就在这个火星与木星之间，存在着千千万万个小天体。2.2小行星的发现这个小行星是怎么发现的？到1766年的时候，人类只知道金、木、水、火、土加上地球，六个行星。有一个天文爱好者，德国人，叫Titius，他在1766年摆弄了一个太阳系的模型，他就发现行星与太阳的距离不是任意的，是有规律的。而这个规律甚至可以用一个简单的数学式来表示。1766年，Titius就把他的观点在一个刊物上发表了。我们都知道在那个年份，在科技中的交往、信息的交往同今天大不一样，那时候他在某一杂志上发表文章，并不是很多科学家都能看到。在1772年一个职业天文学家叫Bode，他在不知道Titius发现了一个定则之后，他也发现了一个定则，这个定则与Titius一样，他是独立地发现的，虽然已经过了八年之后。他的这个定则由于发表在天文刊物中，所以被很多天文学家知道了。现在我用Bode的定则来给大家展示。行星与太阳系的关系式可以用一个很简单的数学关系式表现，就是：0.4+0.3×2n,这个n是个变数。现在我们看看把n带进一些正整数，会得到什么结果。这幅图是Bode像。如果我们把n用1来表示，刚才那个数学式得到的距离是1.0；如果n用2表示,得到是1.6；n再用3表示,得到2.8；n用4表示，得到是5.2；带5表示，