彗星与恐龙

暗物质！彗星！恐龙！

“Boffins”这个词对大多数美国人来说，并不熟悉。因此，当科技作家西蒙·沙伍德（Simon Sharwood）给我和我的合作者马修·里斯在英国期刊《纪事》（Register）中授予此项称号时，我一开始并不清楚是怎么回事。沙伍德是在批评我们和我们愚蠢的工作，或者这个词就像“pulchritude”（特指外表漂亮）一样，听起来挺糟糕的？又或者，这可能实际上是一个恭维的词？

当我知道“boffins”这个词是指科技专家时，还是感到很安慰——尽管担心有点多余。我开始担心这个词的意思是“狂妄的人”，抑或是沙伍德在暗指我们关于暗物质和彗星的工作完全无事实基础时，简单用了这样一个称号。我们认为，暗物质能有效地拽出奥尔特云中的彗星，它们由此会周期性撞到地球上，甚至可能引发了大型的物种灭绝。

即使像马修和我这样的粒子物理学家，总是尽量开放地包容各种理论，对于把彗星撞击这种混乱的现象和太阳系以及暗物质动力学联系到一起，看起来也是不太可能的想法。更何况是暗物质！彗星！恐龙！人们对太阳系感到好奇并探索它，更不用说我们是科学家，本来就喜欢研究这些变化的片段，并把它们联系到一起。我们还必须要测量暗物质盘的存在。在接下来的5年里，太阳系内的一个太空望远镜要测量10亿颗恒星，并由此解释这个问题，以及我们的观点是否正确。

即使这个方案有多种观点，或者接下来的卫星测量不足以执行这项调查，在我问马修是否愿意考虑这项研究的那天，车里雅宾斯克小行星撞上了地球。尽管大多撞到地球或大气层的小行星都太小了，我们一般都不会注意它们，但这颗在2013年2月15日爆炸的小行星，有15～20米大——它大到可以产生耀眼的光芒，并爆发相当于50万吨TNT炸药的能量。在这颗小行星爆炸前3天，一位来自亚利桑那大学的听众的问题让我开始思考关于周期性小行星碰撞。在我向马修建议深入挖掘这个问题的那天，这颗小行星“撞到”我们了，这非常有趣。就在我们迟疑是否应该研究外来天体撞击地球的时候，它偏偏发生了。我们怎么能不继续前进呢？

接下来我将会讲述我们的研究，这把本书介绍的许多理论联系了起来，并解释了暗物质如何在大约3 000万～3 500万年的时间尺度上影响我们的星球。如果我们是正确的，那么不仅有一个15公里大的小行星在6 600万年前撞到地球上，而且引发这次碰撞的是银河系中暗物质盘的引力影响。

我们现在对银河系的理解是一个明亮盘，里面是气体和恒星，也许还有一个更密的盘是由有相互作用的暗物质构成。银河系形成于130亿年前，当时暗物质和普通物质坍缩到一起，形成了一个被引力束缚起来的结构。大约在星系晕形成10亿年后，普通物质开始辐射能量，形成了我们今天看到的亮盘。如果一些暗物质也有相互作用并能足够快地辐射黑暗光子，它也会坍缩到一个薄平面，也就是盘。这也许会花上一些时间，但这个薄盘应该在很早前就形成了。

同时，大约45亿年前，太阳和太阳系形成。随后，围绕太阳的物质盘中，行星也出现了。行星形成后，木星向内迁，其他巨行星则向外移动，由此盘中的物体被打散开来。它们中的一些飞到了很远的奥尔特云区域，而那些很小的冰块则被太阳很弱的吸引力束缚着。

太阳系以2.4亿年的周期绕着银河系旋转。除了主要的公转运动，太阳系还以一个大约3 200万年的周期在银河系平面上下振动。盘的引力自始至终都作用在太阳上，每当太阳系在垂直方向上离开盘面最远的时候，这个引力就成了复位力，并拉它回来。因为银河系几乎没有摩擦阻力，所以太阳系一直持续这种垂直方向的周期性运动，盘的复位力也一直作用在太阳系上。

此外，当太阳系在盘内或离盘非常近时，盘引力的潮汐扭曲效应就会变强。在这些特别激烈的过程中，暗物质薄密盘的潮汐作用可能扰乱了奥尔特云中一些轨道不稳定的物体的平静，否则它们会一直平稳地运行在它们遥远的轨道上。一旦进入暗物质盘，奥尔特云中的冰块似乎会由于轨道崎岖，而不会待在原本的位置了。

当所有这些无生命体在“各自忙碌”时，地球上的生命在35亿年前出现了，大约5.4亿年前，复杂的生命形式开始繁荣。从那时起生命也开始了起起落落，生命多元化与物种灭绝此消彼长。五次生物大灭绝从时间上把所谓的显生宙分割开来。最后一次发生在6 600万年前，当时一个小行星对地球造成了重击。

直到撞击之前，恐龙们都没有注意到遥远太阳系的混乱。一些冰块的轨道穿过奥尔特云，来自遥远银盘的拉力偶尔有很小的变化，并根据太阳到中平面的距离而变化。它们中的很少一部分，在引力作用下脱离了初始轨道，轨道变形进入了太阳系的内部。这些冰块中至少有一个可能变成彗星，并进入与地球碰撞的轨道。

从奥尔特云方面来看，这只是非常小的一次骚乱。一个或者最多只有一小部分冰块被带走了。但是对地球上75%的生命，包括可爱的恐龙们来说，这颗要撞到地球的流星体可是世界末日。即使恐龙是有感觉、有意识的物种，当彗星第一次出现时，它们也不会注意到任何反常。尽管彗星核非常亮，白天也能看见，且它拖出的长尾巴整夜可见，它也不会泄露半点它即将带来的毁灭的消息。一旦彗星落地，感觉就完全不一样了，大火和碎片照亮了天空。无论这些生物们可能看到或想象到了什么，当引力扰动改变了彗星轨迹的那一瞬，命运的车轮将无法避免地辗压到这些动物身上。

很快，彗星就猛冲进尤卡坦州，摧毁它的目标，然后以引发全球性大灭绝的方式结束了这次旅程。当彗星撞到希克苏鲁伯陨石坑时，撞击气化了彗星和撞击周围的土地，它激起了尘埃的卷流并很快散布到了全球。大火烧焦了地表，海啸吞没了周围的海域，甚至传播到了地球的另一端，而随着雨水降落的有毒物质则更危险。食物供应骤，那些从更早期灾难中存活下来的陆生生物大概在其后的几个星期或几个月中，逐渐被饿死了。大部分生物根本没有机会面对这样突然且剧烈的变化，从全球气候到各种栖息地。当各种条件最终改善，生命的延续进入到了另一个充满不确定性的时代时，只有陆地穴居的哺乳动物和空中的鸟类存活了下来。

这是一幅戏剧性的场面，但基本的事实是：彗星撞击肯定发生过。地质学家和古生物学家们已经发现了许多证据，6 600万年前一个大家伙撞上地球，造成地球上至少75%的生物死亡。很快我将会介绍，暗物质盘如何引起了彗星的变轨然后导致了这场灾难。但首先我来解释一下这个想法的初衷。

通过书本和讲座把物理知识分享给公众，有许多额外好处。但因为花在这些活动上的时间会耽误正常工作，所以我常常得从中选择。在一些幸运的场合中，我的研究却因此受益，我曾担心参加公众活动会使我分心，最终却常会得到一些通常没有机会遇到或想到的、我自己不会有的新颖想法。

2013年2月，我从天体物理学家保罗·戴维斯（Paul Davies）的邀请中得到这样一个机会。他在亚利桑那州立大学的超越中心（BEYOND Center）举行年度讲座。尽管我担心旅途太长，但那所大学有一个非常好的宇宙学研究组，所以我不仅很高兴地接受了一个公开讲座，还在之后的几天参加了一个专业研讨会。这个研讨会聚焦于我近期的工作，就是双盘暗物质模型。

出席研究会的物理学家问了许多关于模型的精彩问题。例如，它的可探测性，它对宇宙微波背景辐射的牵连。但当保罗问我暗物质盘是否造成了恐龙的消失时，我大吃一惊。我要承认在那之前，我还没有想那么多，在我的科研中没有恐龙！我一直都集中在基本粒子和宇宙的基础上。但保罗提示我，有潜在的证据显示存在周期性的陨石碰撞，但缺少合理的解释。他问我，暗物质盘能否满足要求，然后告诉我关于彗星引起了恐龙灭绝的猜想。

保罗的问题太精彩了，我怎么也忘不了。答案并不简单，我还需要研究很多东西才能给出明确的回答。暗物质和恐龙之间貌似存在的联系，以及参会的很多科学家，教给了我很多东西。我问马修是否感兴趣研究一下由我们提出的暗物质盘所引起的彗星碰撞。对一个物理学家来说，这种联系要比仅仅关注恐龙，要更吸引人。

显然，马修是个不错的合作伙伴人选。他在双盘暗物质模型的最初研究中是关键人员；他有着冷静的技术头脑，而且在科学上对新想法非常包容——这与他果断保守的行为完全不同。马修不会在任何假设上犯一般性的错误，总是能正确猜出所有事。

最重要的是，马修是位优秀的物理人，有很高的科学修养。当他做事时，每一步都走得很稳。当然，我并不肯定他是否会被这种显然的疯狂建议打动。当马修认为这个想法很有趣并认为它有很大科学意义时，我感到很高兴。保罗·戴维斯也很感兴趣，但是他已经有太多的科研工作要做了，于是选择保持联系但不直接参与。

当听到车里雅宾斯克小行星的消息后，我们当天就开始讨论这个问题。我和马修加紧调研相关内容。我们的目的是把这个疯狂的想法变成可证实的科学。作为建模和物理学家，我和马修尝试接受新的观点和解释。但我们也时刻注意保持无偏见和仔细认真，这些品质在我将要讲述的研究中非常重要。

如在14章所述，为实现我们的目标，我和马修决定开始先简化我们的调研结果。尽管我们对恐龙很感兴趣，但开始时我们先把这些关于灭绝问题的挑战放到一边，集中研究彗星和太阳系动力学以及陨石坑记录的周期性。当把灭绝问题放到次要地位后，我们就能集中研究暗物质盘对彗星可能的影响，以及它是否造成了周期性彗星的问题。之后我们可以看看我们对具体某次彗星的预测如何，包括引起白垩纪-第三纪灭绝的那次。

我们发现，之前的理论没有能解释如何周期性地把奥尔特云中的天体拽出，并留下周期性信号。如果一个常规机制能够奏效，那将没有人，包括我们自己，愿意给陨石记录设计一个更奇异的方案——无论这项工作有多酷、多诱人。

然而，传统起因此时行不通了。仅靠标准银盘，星系的潮汐效应太温和，恒星的扰动不够频繁。传统的潮汐效应，内梅西斯星、未知行星以及银河系旋臂，都不足以引发如此频率和如此数量的彗星雨。这些早先的理论既没有给出穿过银盘的正确时间，也不能给出充分的撞击吻合陨石坑的记录。例如，如果只考虑盘中普通物质对运动的影响，太阳在垂直方向的谐振周期应该在5 000万～6 000万年左右，这和现有数据相比太长了。

这留下了两个可能的结论：一是，这个周期不是真的；二是，更有趣也合理的解释是，这一起因是非常规的。仅靠普通物质并不能解释所需的周期和变化率，在排除了这些理论后，我们可以更合理地回头看看我们的暗物质盘理论能否实现。事实上，暗物质盘的确有普通物质盘不具备的必须特征。一个薄而密的暗物质盘，它的潮汐力能成功地解释周期和奥尔特云扰动对时间的依赖。

从它们出现起，奥尔特云中的天体就受普通物质盘的潮汐力影响，此外还受偶尔路过的恒星的影响，这其实也很重要。这些效应都会引发奥尔特云内天体的扰动，从而被拽到太阳附近。银盘的潮汐力能最后推它们一下，使这些冰块进入不稳定的、离心率非常大的轨道。它只有日地距离的10倍左右，而那些大行星的引力很可能把这些冰块拽出奥尔特云的轨道。这些彗星既不会飞出太阳系，也不会进入太阳系内圈轨道。这些扰动说明长周期轨道彗星的产生，每年都会有一些新进入太阳系的。偶尔，被扰动的天体可能一起被甩出轨道，这时这些偏轨的彗星可能发生碰撞。

仅靠这些扰动并不足以解释周期性的陨石碰撞。要引发周期性的碰撞，对奥尔特云扰动的快速变化必须发生在一个规律的间隔上。此外，为了符合现有证据，这个周期需要在3 000万～3 500万年左右。即使其中某个标准没有达到，它都不能解释周期性彗星碰撞。而且，常规解释没有符合这些标准的任何一个。

在考虑一个密且薄的暗物质盘后，这些问题被很好地解决了。一旦承认了周期性彗星的事实，暗物质盘就成为一个非常可行的理论。暗物质盘施加的影响比普通物质盘的强度更大，变化得也更快——这是产生彗星数量峰值的两个根本要求。

如果银河系平面上包含了暗物质盘，那太阳的垂直振动周期将会变短，因为增加了暗物质盘的质量后，引力变强了。除此之外，根据现在的物质密度测定结果，太阳系在银河系平面上下的运动仅有70秒差距，这个范围比只有普通物质盘出现的情况要小得多。这个窄暗物质盘，覆盖了很大一部分太阳系的轨迹，随着太阳系在银盘面上下摆动，能够对太阳系的运动产生很大影响。

薄暗物质盘的另一个功效是，太阳系很快地从盘中穿过，由此产生了一个彗星率的峰值，每次持续100万年左右。因为它的效应具有强烈的时间依赖性，太阳系每次穿过银盘面，暗物质盘都会引发额外的扰动，由此会规律发生彗星雨——就在太阳系每次穿过银盘面时——否则，彗星只能偶尔由接近的恒星引发。太阳系穿过暗物质盘狭窄的区域时，增强了的潮汐效应就会发生。在穿过盘面时，以及其后的一两百年间，彗星的撞击会增多。

当太阳系以这个时标穿过盘面，并受增强了的潮汐力影响——如果发生足够快就会有一个力的峰值，此时奥尔特云中的冰块可能会被拽出，其中一些可能会以每秒50公里的速度抛向地球。一旦开始进入这种轨迹，进程就非常快，大概只有几千年。但最初使它走向这一步的扰动却要慢得多，一般要花费几次轨道周期的时间。这意味着，在10万～100万年的时间周期里，这些彗星是否会飞到太阳附近的命运就会被决定，而其中一些则导致了地球上看到的彗星雨。

我和马修对轨道做了预测，尽管有些数据不确定，方案还挺成功的。但还有最后一步检查我们没有完成，这是当我们向顶级物理学期刊《物理评论快报》投稿时，审稿人给我们指出的一个问题：在暗物质盘的存在下，除了要确定太阳系的运动，还要计算当太阳系穿过暗物质盘时其环境密度的涨落。我们需要知道密度，因为我们假设对奥尔特云的扰动是与这个物质聚集的程度成正比的。质量越大，潮汐影响越大，扰动也就越强，我们因此假设密度是彗星撞击率的代表，事实上也的确是这样。

对暗物质盘作用在奥尔特云上的潮汐扭曲是否足以使云中的冰块形成正确数量的彗星雨，我们还没有十足把握。幸运的是，斯科特·特里梅因和朱莉娅·海斯勒在10年前已经完成了许多困难的工作，所以我们可以借鉴他们的成果。我们的假设确实是正确的：增大了的密度在恰当的时候对彗星产生了所需的拉拽力。

事实上，我很钦佩《物理评论快报》审稿人提出的建议。审稿报告，是论文在被批准发表前由同行专家审阅后的评论，但如今很多都是人云亦云，不假思索给予批准或者成了要求作者引用其文章的手段。这次审稿人的建议事实上教给了我们一些物理想法。虽然口气有点轻视，但我们确实从中学到了一些东西。我们同时还要解释一些误会的批评，因为我们之前已经仔细检查并请同行审阅过，我们可以很容易地找出这些评论中的错误。

最后，我和马修计算了与陨石记录符合得更好的暗物质盘密度和厚度，发现它们与我们之前已有的双盘暗物质模型一致，那时我们已经知道它与银河系的测量一致。我和马修发现，新的方法不仅在暗物质盘的条件下可行，而且如果你真的把盘当作引发彗星出现的原因的话，你会发现我们的模型真的更好。

暗物质盘的密度约是普通物质盘的17%，这很有趣，而且不会推翻当前对任何现象的理解。这是相当大的一块暗物质，不是百万分之一，而是百分之十几。万一这个暗物质成分存在，它将可以产生可测量的效应，因此也就值得人们注意。此外，暗物质盘的厚度也许只是普通物质盘的1/10，不到几百光年，而普通物质盘的厚度大约为2 000光年。正是暗物质盘如此薄，才解释了为什么它能够令人信服地引发了周期性的戏剧效果。

我们发现，暗物质盘的恰当密度值倾向于大3倍。这个新结论的一个关键原因是，它有更好的统计支持，也即我们在前文提到的旁视效应。给定了一个可以引发周期性彗星的明确模型，我们不仅可以更好地预言周期，而且这个预言更可靠。实际上，我们论文的目的不仅是证明暗物质盘能比普通物质盘能更好地解释周期性彗星雨现象。还有一点——这需要一些统计方法，即如何评估相应结果的重要性。

正如14章所说，大部分方法都是把太阳系上下运动的数据拟合到一个周期函数上，比如正弦波。这也挺有意思，但不能抓住全部内容。我们不需要猜测太阳系的运动。如果我们已经知道关于星系和太阳的初始位置、速度、加速度等所有信息，就可以从牛顿定律中算出太阳的运动，并预测出周期。毕竟，太阳系的运动不是杂乱无章的，它符合动力学原理。即使密度分布和太阳的数据不是很完善，可能的运动范围和由此得到的可能周期，也是限制在一定范围内的。

我和马修一起找出了已知的银盘密度，给出了当前测量支持的全部范围，并将暗物质盘考虑在内。我们的目的是，如果我们把盘所有已知的成分都考虑进来（恒星、气体等），再加上暗物质盘成分，看看太阳系的运动是否与周期性的陨石记录相符合。

测量普通物质的作用限制了太阳系可能的运动轨迹，这是因为盘中物质（包括普通物质和暗物质）的引力作用在太阳上，影响了它的运动，因此降低了旁视效应的影响。我和马修使用测量的密度预言了太阳系的周期运动，比较了穿过银盘的时间和产生陨石的时间，并对比记录看看它们是否吻合。尽管没有具体模型，预言不能很好地区分具体情况，我们仍发现，根据现有的测量数据，统计上倾向于周期为3 500万年的流星体撞击。近期的数据表明，这个周期可能要短一些——大概为3 200万年。

暗物质盘是使这个方案运转的关键，而且产生了预想的撞击率。回到我们的主题，陨石坑更好地吻合了太阳系的运动，说明暗物质盘实际上是更好的因素。将来的数据分析应该考虑这种模型，以便得到更好的统计显著性。结果将会进一步支持我们的结论——或者把它否定。

当我和马修整理完所有资料时，我们的论文也被《物理评论快报》接受了，马修把结果放到了互联网^[41]上。我们保守地给论文命名为《暗物质引发了周期性的彗星撞击》（Dark Matter as a Trigger for Periodic Comet Impacts）。不过，马修在上传结果时在注释栏中标注了“4张图片，没有恐龙”，我觉得这非常有趣，因为我们一直在论文中有意地避免提到恐龙，只集中在了陨石记录及其直接的物理联系上。我们当然一直知道这个联系，并开玩笑地把这项工作称为“恐龙论文”。我们的研究结果得到了很高的在线关注度，许多博客和新闻网站，包括“boffins”那个，在转发论文时几乎都会配上有趣的图片。

这使我回到了恐龙的话题。在初次建立起数据和模型的联系、预言了碰撞周期，并知道这肯定不是最终结果，还会随着将来的测量发生变化，我们想试试我们的模型和希克苏鲁伯陨石坑的时间是否相符。计算显示，在改进了对银盘普通物质的测量后，流星体撞击会发生在3 000万～3 500万年的间隔上。因为我们用200万年穿过星系盘面，一个从奥尔特云中被拽出的彗星完成了一次振荡（两次穿过银盘），并可能在6 600万年前（即白垩纪-第三纪灭绝）被快速甩到了地球上，造成了那次浩劫。需要补充的一点是，如果地球是在不到100万年前穿过了银盘，地球可能还在彗星流的末端，我们今天还有可能看到剧烈的撞击。但更可能的情况是，除了那些无规则、极小概率事件，地球已经穿过危险区，在下一个3 000万年将不会再看到另一个希克苏鲁伯陨石。

由于太阳位置的不确定，并缺少精确的周期，我们只能大概估计穿过盘面的时间。如果地球是在200万年前穿过星系中平面，那么3 200万年的振动周期将会是引起6 600万年前那次事件的最佳值。我们粗糙的初始分析得到的3 500万年的周期，对比希克苏鲁伯陨石的时间稍微长了一点——模型中的不确定性和剧烈彗星碰撞的时间允许这一合理的可能性。修改后的银盘模型，考虑了最近对星系成分的观测，给出了较小的周期，它与白垩纪-第三纪灭绝的时间符合得更好。但即使使用最初的简陋模型，暗物质盘的预言也有可能给出希克苏鲁伯陨石事件的合理时间。

我们的结果不够精确的一个主要原因是，从我们着手分析以来，对银河系物质的测量结果改变了。而且我们还没有考虑星系环境随时间发生的变化，例如旋臂，至今我们对其知之甚少。以上这些效应引起的密度变化不足以引起彗星撞击，但在几百万年的时间里，它们足以改变模型对于撞击发生时间的精确预言。

对于猛烈彗星雨确切时间的预言，还有其他不确定因素。首先，太阳系穿过银盘大概要用100万年的时间——如果盘更厚，花得时间会更长。其次，从事件开始触发到彗星真正撞到地球上还要有大概几百万年的时间。第三，对陨石坑时间的测定精度很低。找出更多陨石坑，或者更精准地测定它们的时间，将对我们很有帮助——尽管很少能发现新陨石坑。不仅仅陨石坑，岩石中积累的尘埃，也能帮助更精确地测定陨石撞击的时间。

关于太阳在银河系平面上下的振动周期（3 000万～3 500万年），还有意想不到的证据。我和马修完成了论文后，一位粒子物理学同事知道我对天文、地理和气候都很着迷，但当时他还不知道“恐龙论文”，他偶然一次告诉了我有关尼尔·沙韦夫（Nir Shaviv）及其同事的工作。沙韦夫是耶路撒冷希伯来大学的教授，他主要研究整个5.4亿年间显生宙的气候变化。出乎意料，他们发现了一个3 200万年的气候变化周期，这和我们得到的周期非常相似。如果他们的结果靠得住，而这个气候的周期又确实是由太阳在星系中的运动引起的，那么这个3 200万年的周期将是暗物质盘存在的证据。因为，普通物质不足以产生这么短的周期。

当然，我们不需要深究过去来看暗物质的影响。如果暗物质真的有相互作用成分，并改变了宇宙中物质分布的结构，我们将会很快知道——快于所有寻找暗物质的研究。只有有限的一部分暗物质盘密度能解释陨石的数据。进一步的测量几乎肯定会缩小预言的范围，证实或者否定我们的理论。

我与我的学生埃里克的研究证实，暗物质盘所需的密度和厚度是在当前观测允许范围内的。来自盖亚卫星的数据将会进一步确定盘的位置、密度、厚度。当这个卫星完成绘制银河系近邻区域的恒星三维图像后，暗物质盘是否存在将会更加清楚。通过这种间接途径，我们不仅可以了解星系和暗物质，还能知道一些太阳系的过去。如果盖亚卫星的数据能够证实暗物质盘的存在及其厚度和密度，那它也是陨石理论的有力证据。

一个点睛之笔当然是，我们精确地算出了恐龙灭绝的时间，这是一个复杂的主题，十分具有挑战性。尽管如此，过去50年的科学发展从不缺少惊奇。暗物质在很多方面都比地球、太阳系和宇宙中的许多可见元素更难以捉摸，但通过研究，物理学家们正在通过新方法去寻找它。无论发现了什么，我们都非常肯定星系、宇宙和其中的物质，都隐藏着迷人的“礼物”。