編者按

正如人一生終有盡頭，地球同樣會(huì)迎來(lái)終結(jié)的一天。天文學(xué)和地球科學(xué)的最新研究指出，地球最終消亡可能會(huì)出現(xiàn)多種不同的情形。下面我們將討論兩種地球如果終結(jié)，可能會(huì)在什么時(shí)候發(fā)生，以及可能的終結(jié)方式。

情景1：超新星爆發(fā)

自身發(fā)出耀眼光芒的天體，如太陽(yáng)，我們稱之為“恒星”。目前，在太陽(yáng)的核心區(qū)域，氫原子核不斷地相互碰撞，合成為氦原子核。這一過(guò)程就是所謂的“核聚變反應(yīng)”。正是通過(guò)這樣的核聚變反應(yīng)，太陽(yáng)和其他恒星得以發(fā)出光芒。

恒星中的核聚變反應(yīng)并不會(huì)永遠(yuǎn)進(jìn)行下去，因?yàn)橄駳溥@種燃料元素終將耗盡。以太陽(yáng)為例，預(yù)計(jì)在約80億年后，它會(huì)耗盡燃料，失去光芒，最終淪為一個(gè)小的殘骸。而對(duì)于質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)8倍的恒星，在核聚變反應(yīng)停止后，它們會(huì)因?yàn)辇嫶蟮囊ρ杆偈湛s，即發(fā)生引力坍縮。在這一過(guò)程中，恒星核心會(huì)釋放出巨大的熱量和輻射能量，比如伽馬射線和X射線等，引發(fā)壯觀的超新星爆發(fā)。在這種爆發(fā)中，一顆恒星將在短短幾秒鐘之內(nèi)爆發(fā)出與其整個(gè)生命周期釋放的能量等量的能量。

·伽馬射線暴將使地球變成“死亡之星”

當(dāng)一顆恒星的質(zhì)量至少是太陽(yáng)的20倍，并且發(fā)生超新星爆發(fā)，它可能會(huì)釋放出巨量的伽馬射線。這一現(xiàn)象我們稱之為“伽馬射線暴”。假如這樣的伽馬射線暴在極其接近的距離直擊地球，地球就可能面臨毀滅的危險(xiǎn)。

地球附近發(fā)生的超新星爆發(fā)想象圖。由超新星爆發(fā)產(chǎn)生的宇宙高能伽馬射線和X射線與地球大氣上層的氧原子和氮原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生次級(jí)紫外線和輻射，這些可能會(huì)對(duì)地表生命造成嚴(yán)重影響。

伽馬射線在穿越地球大氣層時(shí)會(huì)被吸收，因此它們無(wú)法直接影響地面生命。盡管如此，如果伽馬射線暴直接沖擊地球，可能對(duì)臭氧層造成破壞。根據(jù)理論推測(cè)，假設(shè)伽馬射線暴發(fā)生在距離地球約30光年的位置，那么地球的臭氧層將面臨大規(guī)模消失的風(fēng)險(xiǎn)。沒(méi)有充足的臭氧層保護(hù)，地球表面將遭受大量紫外線的直接照射。

紫外線的照射量增加會(huì)顯著提高我們患皮膚癌與白內(nèi)障的風(fēng)險(xiǎn)，后者是一種由于眼球晶狀體混濁而導(dǎo)致視力下降的疾病。我們或許能通過(guò)躲藏到地下來(lái)避免紫外線的危害。但需要注意的是，紫外線能夠破壞生物的DNA，也就是它們的遺傳“設(shè)計(jì)圖”。因此，一旦陸地上和淺海區(qū)的生物，包括動(dòng)植物以及浮游生物等，長(zhǎng)時(shí)間暴露于大量紫外線之下，它們的繁殖和適應(yīng)環(huán)境的能力將會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至可能導(dǎo)致物種的滅絕。在這樣的條件下，地表將不再適宜生物居住。

幸運(yùn)的是，那種可能會(huì)引發(fā)生物大滅絕事件的、距離地球非常近的、可能發(fā)生超新星爆發(fā)的星體，目前尚不存在。目前認(rèn)為，發(fā)生超新星爆發(fā)的可能性較高的獵戶座中的恒星“參宿四”，距離地球大約640光年。目前尚不清楚參宿四是否會(huì)產(chǎn)生伽馬射線暴。即使發(fā)生伽馬射線暴，似乎其直接沖擊地球的可能性也很低。伽馬射線暴通常沿星體的自轉(zhuǎn)方向（即自轉(zhuǎn)軸）發(fā)射。但根據(jù)NASA和歐洲空間局（ESA）運(yùn)營(yíng)的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)，參宿四的自轉(zhuǎn)軸與地球的方向偏移了20°，因此人們認(rèn)為它不太可能直擊地球。

·要警惕來(lái)自約160光年之外的X射線

那么，我們是否需要擔(dān)心超新星爆發(fā)呢？答案可能是并非絕對(duì)不需要。超新星爆發(fā)的激波將加熱星體殘骸和周圍物質(zhì)，從而釋放出大量的X射線。根據(jù)美國(guó)伊利諾伊大學(xué)2023年4月發(fā)表的論文，即使是距離約160光年的超新星爆發(fā)，持續(xù)數(shù)十年向地球照射的X射線也有可能破壞掉臭氧層的30%。在這種情況下，到達(dá)地面的紫外線量可能增加一倍，可能導(dǎo)致生物大滅絕等嚴(yán)重后果。

此團(tuán)隊(duì)在2020年提出了一個(gè)假說(shuō)，認(rèn)為超新星爆發(fā)引起的臭氧層長(zhǎng)期損壞可能是導(dǎo)致大約3億7000萬(wàn)年前至3億5900萬(wàn)年前發(fā)生的泥盆紀(jì)晚期大規(guī)模生物滅絕的原因。通過(guò)對(duì)泥盆紀(jì)晚期地層中植物孢子化石的研究，他們發(fā)現(xiàn)由于臭氧層損壞，紫外線可能對(duì)地球進(jìn)行了大約30萬(wàn)年的持續(xù)照射。造成這一現(xiàn)象的可能是65光年外連續(xù)發(fā)生的多次超新星爆發(fā)，這些爆炸導(dǎo)致宇宙X射線長(zhǎng)時(shí)間照射地球。盡管伽馬射線暴直接擊中地球的概率非常小，但關(guān)于超新星爆發(fā)產(chǎn)生的各種輻射效應(yīng)還存在很多未知因素，這需要我們進(jìn)行更多深入的研究。

情景2：氧氣消耗

未來(lái)，地球上的氧氣可能將逐漸消失，人類和許多其他生物都將面臨“缺氧”的威脅。日本東邦大學(xué)與美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在2021年發(fā)表的研究報(bào)告指出，大約在10億年之后，地球上的氧氣濃度將會(huì)大幅度降低，多細(xì)胞生物包括我們?nèi)祟惖纳姝h(huán)境將變得異常艱難。這一機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，接下來(lái)我們將詳細(xì)闡述這個(gè)過(guò)程。

首先，我們要探究地球上為何擁有如此豐富的氧氣。光合作用生物的進(jìn)化是關(guān)鍵因素之一，它們能夠?qū)⒍趸嫁D(zhuǎn)化為氧氣。但這背后隱藏著一個(gè)謎團(tuán)。能進(jìn)行光合作用的藍(lán)藻的原始形態(tài)出現(xiàn)在大約30億年前，而地球上的氧氣濃度顯著提高卻發(fā)生在幾億年之后。據(jù)推測(cè)，氧氣濃度在7億～5億年前達(dá)到了現(xiàn)今水平——即空氣中約20%的比例。這意味著，除了光合生物的演變以外，還必須存在其他推動(dòng)氧氣濃度大幅增加的因素。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，這個(gè)推動(dòng)因素一直是未解之謎。

大約30億年前的地球的想象圖。預(yù)計(jì)10億年后地球的氧氣和二氧化碳濃度將會(huì)下降，而甲烷的濃度會(huì)上升。這種大氣成分比與氧氣含量較少的地球早期環(huán)境相似。當(dāng)空氣中的甲烷濃度較高時(shí)，天空會(huì)呈現(xiàn)出朦朧的紅色。

·巖石組成的變化為地球帶來(lái)了氧氣

日本東京大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)在2016年揭示了地球歷史上一個(gè)重要的謎團(tuán)。他們發(fā)現(xiàn)，在大約27億～25億年前，大陸板塊地殼的巖石從以鐵和鎂為主的鎂鐵質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨杷猁}為主的長(zhǎng)英質(zhì)。鎂鐵質(zhì)巖石易于和空氣中的氧氣反應(yīng)，形成氧化物，當(dāng)時(shí)植物通過(guò)光合作用釋放的大量氧氣大都用于了這一氧化過(guò)程。而與此相比，長(zhǎng)英質(zhì)巖石消耗氧氣的能力僅為鎂鐵質(zhì)巖石的百分之一。隨著地殼巖石的這種轉(zhuǎn)變，氧氣得以在大氣中累積，導(dǎo)致氧氣濃度顯著上升。

維持地球氧氣濃度的關(guān)鍵在于地殼中的長(zhǎng)英質(zhì)巖。但隨著太陽(yáng)光變強(qiáng)和地球的溫度上升，大氣中的二氧化碳含量會(huì)逐漸降低。這一現(xiàn)象的背后是長(zhǎng)英質(zhì)巖內(nèi)含的硅酸鹽與大氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成碳酸鹽，這個(gè)過(guò)程被稱為“化學(xué)風(fēng)化作用”。隨著氣溫的升高，這種反應(yīng)會(huì)加速進(jìn)行。因此，地球的變暖將導(dǎo)致長(zhǎng)英質(zhì)巖風(fēng)化速度加快，進(jìn)一步減少大氣中的二氧化碳。如果長(zhǎng)英質(zhì)巖在全球范圍內(nèi)大量風(fēng)化，空氣中的二氧化碳濃度將顯著下降，這可能會(huì)威脅到植物的光合作用。

·10億年后氧氣濃度將降至2%以下

東邦大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在2021年的研究預(yù)測(cè)顯示，可能在3億年后，對(duì)大部分植物來(lái)說(shuō)光合作用將變得不再可能，導(dǎo)致植物面臨滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。而據(jù)預(yù)計(jì)，到了10億年后，大氣中的氧氣濃度將降低至2%以下。

如果氧氣濃度真的降到了這個(gè)程度，依靠氧氣進(jìn)行呼吸的生物體將面臨缺氧的困境，甚至可能導(dǎo)致物種滅絕。然而，像厭氧菌這樣不需要氧氣的生物，卻有可能繼續(xù)生存。實(shí)際上，地球原始大氣的主要成分是二氧化碳，并無(wú)氧氣。正是在這種環(huán)境下，地球上最早的生命形式——厭氧菌得以誕生。

因此，氧氣的耗盡可以視為將地球生命歷史歸零。在沒(méi)有氧氣的地球上，只剩下厭氧菌生存，我們無(wú)法確定是否能夠再次孕育出與現(xiàn)在相似的多元生態(tài)系統(tǒng)。然而，至少我們可以肯定，即使氧氣耗盡，也不會(huì)導(dǎo)致地球上所有生物的徹底滅絕。

除了超新星爆發(fā)和氧氣消耗，小行星碰撞、超級(jí)火山爆發(fā)、海水消失、太陽(yáng)膨脹等也是地球可能終結(jié)的場(chǎng)景，面對(duì)這些潛在的危險(xiǎn)，我們?cè)撊绾螒?yīng)對(duì)？人類能否遷移到其他行星？歡迎閱讀《科學(xué)世界》2025年第7期探索欄目——地球會(huì)怎樣終結(jié)，解鎖更多科學(xué)知識(shí)。

本文摘編自雜志2025年第7期，文章內(nèi)容略有刪改。

新媒體編輯 | 周濛