撰文｜红薯爸
有生之年小行星会撞地球吗？变成红巨星的太阳会吞噬地球吗？地球会被甩出太阳系成为流浪行星吗？超新星爆发和伽马射线暴会不会毁灭人类？中子星和黑洞撞击地球的可能性有多大？银河系和仙女座大星系碰撞又会如何？外星高级文明会成为人类的宿命吗？宇宙膨胀的终极命运如何影响文明的演化？天文学家红薯爸将在这个“宇宙灾难和地球文明”系列科普文里分四个章节逐一阐述目前科学家们的观点：
（1）危险的天空
写在前面
在开始这个系列科普文之前，请容笔者先啰嗦几句。首先，宇宙事件在空间和时间上的跨度，用一般常识很难去想象。比如在讨论宇宙灾难的时候，涉及到的时间概念经常是数百万年甚至数十亿年计。所以跟我们这几代人，可能/应该/绝对没有半毛钱的关系。其次，本文涉及到的内容均为有科学事实和理论支持的观点。为严谨起见，偶尔会涉及到一些严格的科学语言和简单的数学推导。但大多数描述尽量都以通俗易懂为目的。最后，我们对宇宙的认识还刚起步，所以有些涉及到的观点，尽管代表现在主流的科学观点，并不一定是最终的真相。宇宙的广袤无际超出我们的想象，所以要每时每刻保持敬畏的心态去不断探索未知的世界。
危险的天空
太阳系，银河系数千亿个恒星系统中初看毫不起眼的一个普通恒星系统。位于银河系的边隅，太阳系包含着八大行星，围绕着太阳运动。从内向外数的第三颗表面被海水覆盖的蓝色星球，就是我们的地球家园。从大约四十六亿年前的一团星际气体共同诞生以来，太阳系和它的行星们经历了原初的混沌，逐步形成了现有的稳定结构，生命的孕育也从而成为现实。
太阳系的组成。八大行星中包括内太阳系的四颗固态行星（水星，金星，地球，火星）和外太阳系的四颗气态巨行星（木星，土星，天王星，海王星）。位于火星和木星之间的是一条小行星带。图中的距离和大小并不代表实际的尺度。
(图片来源：NASA)
除了太阳和八大行星之外，太阳系中还存在着无数的小星体。比如在火星和木星轨道之间存在着一个小行星带，里面遍布从粉尘大小的碎屑到数百公里大小的小行星。因为太阳系内几个大行星引力的扰动，小行星带内的物体时不时会被抛离原轨道而去往太阳系的其它角落。尽管质量巨大的木星和土星吸引了大多数小行星和来自太阳系外围的远轨道彗星的“火力”，还是有许多小星体会进入离太阳更近的轨道，其中更有一些会被地球的引力吸引而撞向地球。
现在太阳系正处于中年期相对平静的时期，没有那么多的“碎片”小行星会撞击地球。但是在地球和太阳系形成早期，太阳系是一个异常混乱而危险的地方。比如地球刚形成不久，还是一团炽热的“面团”的时候，一颗火星大小的星体直接撞击了初生的地球，撞出来的碎片并没有离开地球轨道，而是在附近凝结形成了月球。这就是月球形成的目前主流观点。稍晚一些时候，大约四十亿年前，刚刚形成的太阳和行星们更是经历了一段如地狱般的被太阳系形成初期残留的小星体们频繁撞击的过程（被称为晚期狂暴撞击时期，Late Heavy Bombardment，具体的理论解释等笔者有空了单开一贴）。这一过程持续了大概8亿年，对于地球来说是相当难熬的一段时期。晚期狂暴撞击时代结束之后，小星体撞击地球仍然时有发生，但是频率迅速降低。地球也因此而终于有了喘息的时期来慢慢酝酿生命的形成。有趣的小知识：小行星和彗星的主要区别是成分。前者大多数为岩石构成，而彗星还含有大量的冰和挥发性物质，所以会形成彗尾。当小行星足够大，大到引力足够强使得星体成为规则的球状（或椭球状，考虑有自转的话），这时候就能被称作矮行星。当星体质量进一步增大，大到把自身轨道上其它小星体都清理掉之后就可以成为行星了。按照这个行星的定义，冥王星只能降级成矮行星。
月球表面的照片。大大小小的陨石坑记录着月球被小星体撞击的“悲催”历史。
(图片来自网络)
小行星碰撞行星的证据呢？看看月球的表面就知道了。一个个大大小小的陨石坑（注：掉到地面上的小行星碎片叫陨石）记录了漫长岁月内小行星不断撞击的结果。但是为什么地球表面并没有像月球表面那样,存在无数的陨石坑呢？这里有几个主要的原因。第一，地球存在大气层，很多小碎片进入大气层还没到地面呢就因为和大气摩擦而烧没了。几公斤以下的小碎片（直径小于十几厘米）会在大气层中完全烧毁。其次，地球表面四分之三被海洋覆盖，所以大部分没有在大气层中烧毁的更大的陨石都到了大洋的底部。最后，和月球不同的是，地球的地壳一直处于活动状态。板块的运动，造山运动和风化等地质现象也会“抹去”很多陨石坑的存在。
红点是地球陆地上已知的陨石坑址分布。
(图片来源：
https://www.lpi.usra.edu/science/kring/epo_web/impact_cratering/World_Craters_web/intromap.html)
尽管如此，地球陆地上还是有大大小小几百个已知的陨石坑。其中比较著名的几个大陨石坑还是旅游胜地。比如美国亚利桑那州就有一个开放的陨石坑公园（Meteor Crater Natural Landmark），开车就能去，票价也不贵（大人15美金），但是看过之后觉得也就那么回事。有意思的是这个陨石坑还是私人拥有的（哎，谁让它掉到美国境内了呢）。这个直径大约1公里的陨石坑形成于大约五万年前，由一颗直径大约50米的铁陨石造成。
位于美国亚利桑那州的著名陨石坑（也叫巴林格坑，Barringer Crater）。
(图片来源：wikipedia)
加纳境内唯一一个天然形成的湖泊（Lake Bosumtwi Crater, Ghana），本身是一个陨石坑，是当地人休闲的好去处。该陨坑直径大约十公里，由约一百万年前的一颗小行星造成。
(图片来源：wikipedia)
中国辽宁省鞍山市的岫岩陨石坑，直径1.8公里。这是中国境内仅有的两个科学认证的陨石坑之一（另一个在黑龙江，去年才刚发现）。
(图片来源：百度百科)
1908年6月20日的通古斯大爆炸也被认为是一颗直径约50米的陨石落在西伯利亚境内的通古斯地区。爆炸当量相当于15兆吨的TNT炸药。因为现场没有留下陨石坑，一般认为这颗陨石在距地面几公里左右高空就爆炸解体了。这次爆炸摧毁了两千多平方公里的森林，将近八千万棵树。这些树沿着爆炸中心向外断裂，间接证实了爆炸源自一个中心点。
一百多年前西伯利亚境内通古斯大爆炸，被认为是一次小行星撞击事件（笔者幼年在伪科学杂志《飞碟探索》还经常看到解释通古斯爆炸的奇怪理论）。左：假想的高空爆炸的情形。右：爆炸后现场的树木。
(图片来源：wikipedia)
深度撞击
陨石撞击地面的速度和它的大小有关。之前讲到几公斤以内的星体碎片在落到地球表面之前就在大气层中烧毁了。几公斤以上十吨以下重的物体会因为大气摩擦而减速，最终会以大约每秒钟一百多米的速度撞击地面。只要不是直接落到闹市区，这点撞击对地球整体来说基本没什么影响。真正能要命的是十吨以上的物体，大气层对它们的减速作用并不是很大，它们撞击地面的速度会达到几公里每秒。最要命的是一千吨以上的小行星（差不多直径十米以上），地球大气层基本对减速没有任何作用，它们的撞击地面的速度和它们进入地球大气层的初始速度没啥不同，要高达十公里每秒以上（大致和地球绕日的轨道速度是同一个数量级的）！
我们来做个简单的计算，看看陨石撞击地球的威力有多大。这个能量就是陨石的动能（质量乘以速度的平方除以2）。多数陨石的密度和冰块差不多。对于250米直径的岩石小行星，撞击速度20公里每秒，撞击释放的能量能达到1000兆吨TNT，相当于目前最大核弹的十倍当量！
所以一般来说，直径超过几百米的小行星，就可以对地球生命造成相当大的危害了。飓风，地震，气候变化等严重自然灾害会随之而来。直径超过几公里的小行星，对地球生命的危害将是全球物种灭绝级别的。好在越大的小行星，撞击地球的可能性也越低。当然，这么说并不严谨，因为只要等的时间足够长，任何大小的小行星撞地球的概率都是百分之百。所以，更严谨的说法是，越大的小行星撞击地球的频率越低。为什么呢？因为小行星的大小分布是越大的小行星越稀少。这是自然界的一个普遍规律，对恒星，星系等来说都是越大的物体越少。有意思的是，财富分布也是如此，越有钱的人越少（可见自然规律都是相通的）。
碰撞频率和小行星大小的关系。该图的横纵坐标均为对数坐标。直径大于几百米的陨石会给地球带来全球化灾难性的后果。当然，这类碰撞的平均频率很低，即平均来说，几百万年以上才会发生一次。
(原始图片来源：https://blogs.uw.edu/suberlak/files/2014/01/Sec_3_crater_counting_notes2.pdf，笔者做了汉化)
具体到小行星撞地球的频率，上图显示了越大的小行星撞地球的频率越低。当然，这是按太阳系稳定后的小行星分布的估算。太阳系形成初期混沌时期的碰撞频率要高很多（见前面的讨论）。大致来说，直径小于1米的流星（注：流星指的是进入大气层摩擦燃烧发光的小行星），几乎每天都有。有时候当地球绕日运动进入特定轨道区域的时候，你还可以看到流星雨（即一晚上看到很多流星，都在大气层中烧毁了）。能对地球生命造成严重伤害的几百米直径的小行星撞击，大概几十万年到几百万年一次。而能彻底灭绝地球生命的几公里以上小行星的撞击，大概几亿年一次。考虑到地球生命存在的历史已经有30亿年（当然最早的是微生物，有头有脸的高级生物要来的晚很多），物种灭绝级别的小行星撞击应该已经发生过好几次了。有趣的小知识：陨石坑的大小约是陨石本身大小的十倍到二十倍左右（具体当然还取决于陨石的成分和撞击点的地质）。所以一公里直径的大坑对应50-100米陨石的直径。所以下次去看陨石坑的时候，可以跟你的朋友得瑟一下：煞有介事的告诉他们当年撞击的陨石大小。
曾经的霸主
恐龙灭绝的真正原因（搞笑版）
(图片来源：Gary Larson cartoon)
时间：6500万年前一个闷热的夏日午后。地点：今墨西哥境内尤卡坦半岛。一群梁龙（因为笔者的不考究，侏罗纪的梁龙穿越到了白垩纪）正在河边汲水。突然，天空出现了一个硕大无比的火球，耀眼程度不亚于第二个太阳，伴随着震耳欲聋的巨响向北方极速划落。几乎是一瞬间，大地开始崩裂，浓烟和火焰淹没了眼前所见的一切。对于当时的地球大陆霸主来说，世界的终结来的如此之快。
【点击观看（英文配音）】史密松频道制作的6500万年前白垩纪灭绝恐龙的小行星撞击地球的假想场面。
(影片来源：Smithsonian Channel)
中生代白垩纪晚期恐龙的灭绝，目前科学界的主流观点是在白垩纪-第三纪之间发生的一次小行星碰撞事件导致。该事件发生的地点是今天墨西哥境内尤卡坦半岛西北角。陨石坑的大小大约是200公里，因此推算的陨石直径大约是10-20公里左右。经历了数千万年的演化，这个陨石坑风化严重，目前被深深掩埋在二十公里深的地下，中心位于一个叫希克苏鲁伯（Chicxulub）的小村庄（这个陨石坑也以该村子命名）。考古学家用同位素定位方法测定的陨石坑的年龄大约是6500万年。因为这么大的陨石必然会造成大规模物种灭绝，而时间上又正好和恐龙灭绝的时间能吻合上，因此科学家相信，这次碰撞事件是导致恐龙灭绝的直接原因。除此之外，地质学家还发现在大约6500万年前白垩纪和第三纪分隔的地质学断层上有大量的全球性的铱元素。铱元素在地球岩石上非常的稀少，但是在陨石中很常见。从而证实了一颗小行星在此期间撞击了地球，增强了这一期间的铱元素丰度。发现白垩纪-第三纪地质学断层上富含铱元素，从而提出小行星撞地球导致恐龙灭绝理论的阿尔沃莱兹父子（左：父亲路易斯；右：儿子沃尔特）。图中两个颜色不一样的岩石层分别代表了白垩纪和第三纪的地质层。它们之间有一层薄薄的物质被发现富含地球上非常稀有的铱元素。
(图片来源：Berkeley Lab archives)
发现白垩纪-第三纪断层铱元素的故事也非常有趣。最早发现这一现象的是沃尔特。阿尔沃莱兹（Walter Alvarez），一名地质学家。1977年他在意大利的一个叫古比奥的小村庄高高兴兴的挖石头，偶尔看到了在两个地质时期的间隔层中间有一层不同的物质。他把岩石样本带回了伯克利并展示给了他的父亲路易斯。阿尔沃莱兹（Luis Alvarez），一名物理学家。这个路易斯可是赫赫有名，曾经因为在粒子物理的贡献获得过1968年的诺贝尔物理奖。父子俩于是开始研究那层不同的物质的成分。借助其他科学家的帮助，他们在这层物质中发现了超过地球丰度600倍的铱元素。依据这一发现，阿尔沃莱兹父子和其他两位学者在1980年发表文章提出地球外来原因导致恐龙灭绝的理论，正面硬扛之前主流的地球火山爆发引起气候变化导致恐龙灭绝的理论。尽管在理论发表之初，多数学者持怀疑态度，随着1991年希克苏鲁伯陨石坑的发现和年代的测定，这一理论也得到了越来越多的支持。2010年3月，一个四十多人的国际专家组，包括了地质学家，古生物学家等相关学者，在阅读了大量的文献和数据之后，裁定小行星撞击，而不是火山爆发，是恐龙灭绝的真正原因。（真是没想到，这最后搞得跟陪审团判案子差不多。）
现在的希克苏鲁伯陨石坑所在地的同名小镇（墨西哥）。有机会可以去体会一下当年最后一批恐龙们的心情。
(图片来源：Wikipedia)
因为小行星撞击地球的速度极快（约每秒钟一二十公里！），几乎在你看到小行星进入大气层的下一秒你就挂了（完全没有时间反应）。这次碰撞的具体后果是什么呢？撞击的能量相当于一百万颗氢弹同时爆炸，是地球目前所有核武的几千倍！别以为只有撞击地点才会受影响。有超过十万亿吨的爆炸粉尘会被推到上百公里的高空大气层，之后将会伴随着酸雨降落在整个地球。与此同时，回落的碎片撞击地面，引起大火燃烧各地。巨量的粉尘会遮天盖日，在长达一年的时间内整个地球都会被笼罩在浓雾之中（咱就不用提PM2.5的浓度了，PM250都有可能），昏暗不见天日。酸雨会毁灭植被和海洋生物，见不到阳光引起地表温度降低，地球进入长达十年的“冬天”。这次撞击对于地球的气候和生态系统的破坏是摧枯拉朽的，在短短数十年内就令75-95%的物种消失。之后，地球将进入漫长的复苏期，重新开始物种的演化。
前面已经说过，能造成全球物种灭绝的小行星（几公里直径）撞地球事件，大约平均数亿年能有一次。对于稍小一点的小行星（几百米直径），频率就高很多，大概平均几百万年一次，而且也能造成大规模灾难。更要命的是，这些频率只是统计上的平均说法。小概率的独立事件的发生是随机的，所以有可能连着发生几次，然后很长一段时间相安无事。人类文明已经存在了大约两百万年，所以下次小行星撞地球（大规模灾难级别，还不到全球物种灭绝级别）大概也不远了。当然，这里说的还是上百万年的时间尺度。别忘了人类进入太空才只是六十年前的事情，我们应该有足够的时间去发展科技来应对未来的小行星灾难。
未雨绸缪
目前应对小行星威胁的首要方法是监测。直径大于几百米的小行星，直接撞击地球的话将会带来灾难性的后果。即便是直径几十米的小行星撞在人口密集区域，也够我们喝一壶的了。所以必须要严密监视所有可能进入地球轨道的这些小星体。这些监测有官方的（比如NASA），也有民间的组织。利用望远镜巡天，我们可以发现太阳系内的移动小星体，并估算它们的大小，成分，和运动轨迹。早早发现可能的威胁可以保证我们能有几年甚至几十年的准备去应对。因为这么大的小行星按统计平均来说在几百年到几千年内直接撞击地球的可能性几乎为零，所以我们并不需要杞人忧天。但是时刻保持警惕是非常必要的。不怕一万，就怕万一。
如果发现朝着地球直奔而来的足够大的小行星，可以考虑用人工撞击改变其轨道的方法来解除危险（相比把整个小行星整个炸没，这个需要的能量少很多）。2005年NASA发射的“深度撞击”（Deep Impact）飞行器就成功的撞击了几公里直径大小的彗星坦波尔1号，并稍稍改变了彗星的轨道（因为所用能量很少，只有4.8吨的TNT当量，彗星轨道的改变很小，基本可以忽略）。所以从理论和实践上来说，只要发现的够早，我们还是有时间准备去解除一颗十公里左右的小行星或彗星的威胁的。目前NASA和欧空局都有计划进一步实践这种方法的有效性。
NASA发射的深度撞击飞行器撞击坦波尔1号彗星的场面。可以清楚看到撞击点产生的大量溅射物质。
(图片来源：NASA/JPL)
结语
灾难性质：小行星（以及其它太阳系内小星体）撞击地球
发生频率：几百万年到几亿年
毁灭时间：几十年
应对程度：30-40%
小行星撞地球是潜在的危险，也曾经抹去过地球曾经有过的辉煌文明。能引起大规模乃至全球物种灭绝的小行星撞击事件发生频率很低，平均大概每几百万年甚至几亿年一次。我们应该有足够的时间去发现潜在的小行星威胁，并部署相应的策略去化解危机。
下期预告：“宇宙灾难和地球文明（2）致命的烟火”将讲述超新星，伽马暴，中子星和黑洞等对地球文明的影响。
普林小虎队期待大小朋友们分享自己的见解，精选小读者问题将在下一期得到热心科普和儿童教育的奶爸沈教授的专门回答，快在下面的读者讨论区分享吧！