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撰文 | Christopher Crockett

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2019年5月1日，隔壁的恒星爆發(fā)了。

在短短幾秒鐘內(nèi)，距離太陽最近的比鄰星比平時亮了數(shù)千倍——在光譜的紫外范圍內(nèi)，亮度達到了往常的14000倍。假如有地球大小的行星圍繞該恒星運行，如此高強度的輻射爆發(fā)足以打斷這顆行星上可能存在的任何水分子。如此大規(guī)模的重復(fù)爆炸可能已經(jīng)剝奪了這顆行星的任何大氣層。

如果我們的太陽變得如此憤怒，那將是個噩耗。

但太陽確實也有爆發(fā)的時候——最著名的是在1859年9月2日黎明前的時刻。那時，一道燦爛的極光照亮了地球，出現(xiàn)在最南端的哈瓦那。密蘇里州的人們可以借著它的燈光讀書，而睡在落基山脈戶外的礦工們醒來后，以為天亮了，就開始做早餐。幾天后，《泰晤士報》（Times of London）報道稱：“整個北半球都亮得像太陽落山一小時后的樣子?！?/span>

與此同時，電報網(wǎng)絡(luò)陷入了混亂。設(shè)備火花四濺，其中一些還起火了。在波士頓和緬因州的波特蘭市，工作人員將電纜從電池中拔了出來，由于地球上有涌動的電能，因此信號仍在繼續(xù)傳輸。

那個星期五所發(fā)生的事件讓人們回想起了《圣經(jīng)》中的描述?！?em>Cincinnati Daily Commercial》報道說：“天使之手改變了天堂的壯麗景色?！辈贿^實際的驅(qū)動力有點平淡無奇：天空被一大團帶電氣體點燃了，這團氣體從被稱為太陽耀斑（solar flare）的閃光里噴出的。

深空天氣包含了由太陽風(fēng)和深遠的太陽磁場所造成的的普遍狀況。太陽上的突然變化，如耀斑和物質(zhì)噴發(fā)，就像天氣鋒面一樣，帶來了可以在行星上感受到的磁“風(fēng)暴”。在地球上，這可能會導(dǎo)致令人驚嘆的極光，但也可能對電子設(shè)備造成破壞。耀斑發(fā)出的閃光大約需要8分鐘才能到達地球。而在日冕物質(zhì)拋射（CEM）中從太陽噴出的物質(zhì)可能需要數(shù)小時到數(shù)天的時間才能傳播這么遠的距離。磁暴可能是短暫的，也可能持續(xù)很多天。

這種團簇——等離子體和磁場的糾纏在一起——被稱為日冕物質(zhì)拋射（CEM）。一旦到達地球，這種拋射會引發(fā)最猛烈的地磁風(fēng)暴。1859年的風(fēng)暴被命名為卡林頓事件，以紀念一位曾目睹了耀斑的科學(xué)家。長期以來，這場風(fēng)暴一直被認為是太陽所造成的最強大的沖擊。

但近年來的研究表明，相比太陽可能的爆發(fā)規(guī)模，卡林頓事件只是一次小小的嘗試而已。樹的年輪和冰芯編碼了在遙遠過去所發(fā)生的劇烈太陽風(fēng)暴的回聲。對于其他恒星，如比鄰星，研究表明即使是記錄在案的最強大的太陽爆發(fā)，與可能發(fā)生爆發(fā)的相比也顯得蒼白無力。

盡管如此，太陽物理學(xué)家休·哈德森（Hugh Hudson）在2021年的《天文學(xué)與天體物理學(xué)年評》中寫道，卡林頓事件為太陽在未來可能為地球儲備的東西（指爆發(fā)）提供了重要線索。格拉斯哥大學(xué)的哈德森寫道：“人類的技術(shù)資產(chǎn)，尤其是太空中的技術(shù)資產(chǎn)，正面臨著危險?！比缃裨诎l(fā)生類似卡林頓的事件之后，整個電網(wǎng)可能會關(guān)閉，GPS衛(wèi)星可能會被切斷。

了解太陽風(fēng)暴的嚴重程度可以讓我們深入了解宇宙可能會給我們帶來什么——或許還能幫助我們預(yù)測下一次風(fēng)暴，以便我們在它發(fā)生時做好更充分的準備。

耀斑剖析

1859年的太陽爆發(fā)照亮了地球的天空，大約18小時之前，一位英國天文學(xué)家注意到太陽表面有一些奇怪的東西。

理查德·卡林頓（Richard Carrington）在他的天文臺工作時，看到兩個明亮的光點從一堆黑色的太陽黑子中出現(xiàn)，并在5分鐘內(nèi)消失。另一位英國天文學(xué)家理查德·霍奇森（Richard Hodgson）也看到了同樣的事情，并指出這就像耀眼的織女星出現(xiàn)在了太陽上。與此同時，英格蘭喬城天文臺（England’s Kew Observatory）的羅盤狀指針在抖動，暗示著磁暴即將到來。

在此之前，沒有人知道太陽耀斑——主要是因為沒有人像卡靈頓那樣在每個晴朗的日子都追蹤太陽黑子。直至幾十年后，天文學(xué)家和物理學(xué)家才能揭示太陽耀斑的物理原理及其對地球的影響。

1859年，英國天文學(xué)家理查德·卡林頓（Richard Carrington）正在繪制太陽黑子的草圖（左），他看到從太陽頂部附近的一大片黑子中冒出兩顆光珠?？诸D畫出了首次亮相的耀斑，兩個豆狀區(qū)域依偎在這些斑點之間（在右側(cè)特寫中標記為A和B）。五分鐘后，兩個白點向右漂移，明顯地消失了（標記為C和D）。 

圖片來源：S. PROSSER，牛津大學(xué)出版社 2018（左）/ RICHARD CARRINGTON，公共領(lǐng)域（右）

太陽耀斑是太陽上的一次爆發(fā)，一種突然的閃光——通常在太陽黑子附近——可以釋放大約100億顆百萬噸級核彈的能量。突然地局部釋放被壓制的磁能是耀斑的觸發(fā)因素，一次爆發(fā)能釋放出從無線電波到伽馬射線范圍的整個電磁波譜的輻射。

許多太陽耀斑，盡管不是全部，都伴隨著日冕物質(zhì)拋射，太陽的一大塊熾熱氣體連同糾纏的磁場一起被吹入太空。數(shù)十億噸的太陽物質(zhì)會涌向太陽系，在大約14個小時到幾天的時間里穿越1.5億公里到達地球軌道。

大多數(shù)太陽噴發(fā)都與地球相距甚遠。但偶爾也會有一次剛好瞄準地球。這時事情就變得有趣了。

太陽耀斑發(fā)生大約8分鐘后，它的光以肉眼可見的閃光到達地球。當紫外線和X射線的尖峰噴射到上層大氣時，會在地表造成輕微的磁擾動。這便是1859 年喬城天文臺的磁性儀器所探測到的震動。

當日冕物質(zhì)拋射遇到包圍地球的磁場時，會引發(fā)地磁風(fēng)暴。對磁場的干擾會導(dǎo)致電流通過導(dǎo)體，包括電線甚至行星本身。與此同時，太陽噴出的高速帶電粒子撞擊高層大氣中的原子，從而點亮了極光。

2017年9月6日，太陽發(fā)出了一個強大的X級太陽耀斑——這是為最強烈的耀斑預(yù)留的名稱。美國國家航空航天局（NASA）軌道太陽動力學(xué)觀測站（Solar Dynamics Observatory）在紫外光下捕捉到的這次爆發(fā)，是多年來觀測到的最強耀斑之一，它發(fā)生在當月一系列的太陽爆發(fā)期間。這些發(fā)光的線是灼熱的等離子體細絲，它們被覆蓋在太陽表面的弧形磁場所俘獲。

來源：NASA / GSFC / SDO

1859年的耀斑在其能量和對地球的影響方面一直都是突出的，現(xiàn)在依然如此。相對強大的太陽噴發(fā)通常被稱為“卡林頓事件”。但它并不是唯一的。

“它經(jīng)常被描述為有史以來最強烈的風(fēng)暴，”丹佛美國地質(zhì)調(diào)查局的地球物理學(xué)家杰弗·洛夫（Jeffrey Love）說。“這可能不完全正確，但它肯定是兩個最強烈的風(fēng)暴之一?！?nbsp;或者三四個中的一個。

1921年5月，太陽給我們的星球帶來了一場與卡林頓事件相當?shù)牡卮棚L(fēng)暴。和1859年一樣，在遠離極地的地方出現(xiàn)了燦爛的極光。電報和電話系統(tǒng)發(fā)生了故障，一些還引發(fā)了破壞性的火災(zāi)。

僅在卡林頓發(fā)現(xiàn)了以命名的耀斑的13年后，另一場太陽風(fēng)暴出現(xiàn)了，從某些方面來看，它可能已經(jīng)超過了前者?！艾F(xiàn)在看來，根據(jù)極光和稀疏磁力計的測量結(jié)果，1872 年的事件可能比卡林頓事件更大”，從美國空軍退休的太陽物理學(xué)家埃德·克里弗（Ed Cliver）說道。

哈德森說，這些風(fēng)暴表明卡林頓事件并不是黑天鵝事件。如果非說有什么不同的話，那就是現(xiàn)代的太陽一直在萎縮。來自更遙遠過去的證據(jù)表明，靈頓事件與遠古的太陽風(fēng)暴相比顯得微不足道。

被遺忘的耀斑

樹擁有很長的記憶，它以同心圓年輪的形式記錄每年的生長。與此同時也記錄了當時環(huán)境狀況的點點滴滴。研究人員可以從這些年輪中重建地球過去的場景。

日本的一些雪松樹記錄了公元775年左右從太陽噴出的原子粒子海嘯。這些樹木中的碳-14含量顯著上升，碳-14是樹木從大氣中吸收的一種放射性碳變體。碳-14來自于大氣中的氮和宇宙射線之間的碰撞——來自太空的高速粒子每天都在撞擊我們的星球。一些太陽耀斑會向地球發(fā)射過量的宇宙射線，從而增加了碳-14的產(chǎn)生。研究人員在2012年的研究指出，775年記錄的碳-14水平的變化大約是太陽正常漲落時的20倍 。

哈德遜說道：“很明顯，超級事件可能會發(fā)生，因為這是10倍——如果是太陽耀斑——比卡林頓事件大10倍或20倍甚至更多?！?/span>

2011年3月1日凌晨，太陽風(fēng)的漣漪沖擊了地球磁場，引發(fā)了一場輕微的地磁風(fēng)暴，導(dǎo)致了在阿拉斯加Poker平原研究范圍上空看到的飄渺的極光。

來源：NASA / GSFC / JAMES SPANN

樹木年輪中碳-14的增加顯示出公元994年發(fā)生另一場大規(guī)模太陽事件的跡象。來自南極洲的冰芯顯示，在公元994年和775年中，另一種宇宙射線的產(chǎn)物鈹-10的含量都相應(yīng)增加了，這更加確信了在樹木年輪中的發(fā)現(xiàn)。

再往前看，一項對冰芯的研究表明，大約在公元前660年發(fā)生了第三次類似事件。8月份（在一篇仍在進行同行評審的論文中），研究人員報告了約公元前7176年和公元前5259年的樹木年輪中又出現(xiàn)兩個碳-14峰值，可能與775年的事件相當。

芬蘭奧盧大學(xué)（University of Oulu）的空間物理學(xué)家、8月份研究的合著者伊利亞·烏索斯金（Ilya Usoskin）說，很難直接將過去的這些風(fēng)暴與卡林頓事件進行比較。1859年的耀斑沒有在地球上產(chǎn)生粒子雨，因此沒有碳-14的計數(shù)可以比較。但烏索斯金說，775年的事件似乎是過去12000年來記錄到的最強的太陽粒子風(fēng)暴之一。

有一個問題，哈德森指出。樹的年輪每年都會出現(xiàn)一條，因此幾個月內(nèi)的一些較小的耀斑可能會作為樹木年輪記錄中的一個大事件出現(xiàn)。

但即便如此，這些較小的耀斑中的任何一個都可能是令人印象深刻?！熬湍芰慷裕@些事件中的每一個都至少是卡林頓事件的三倍，”克里弗說。

然而，與我們銀河系中的其他一些恒星相比，這仍然算不了什么。

超級耀斑

如果圍繞比鄰星運行的行星上確實存在生命，那么它可能會經(jīng)歷一段艱難的旅程。

科羅拉多大學(xué)博爾德分校的天體物理學(xué)家梅雷迪思·麥格雷戈（Meredith MacGregor）說：“你真的會看到每天都在發(fā)生類似的卡林頓事件。”更強烈的“超級耀斑”，就像她和同事在2019年發(fā)現(xiàn)的那種，可能每隔一天就會發(fā)生一次。她的團隊在觀察了隔壁恒星僅僅40時后便發(fā)現(xiàn)了這種耀斑，其強度可能是卡靈頓事件的100倍。

在幾乎持續(xù)不斷的耀斑的沖擊下，任何依附在靠近恒星的巖石行星上的大氣都將永遠不會有時間恢復(fù)。“是的，（地球上的）卡林頓事件會燒毀一些電子設(shè)備并破壞GPS信號，”麥格雷戈說，“但它不會破壞我們星球的宜居性?！?/span>

半人馬座比鄰星和鄰近的半人馬座阿爾法星A和B是距離太陽最近的恒星，距離太陽僅4.2光年。三者中最近的比鄰星是一個暗紅色的天體，頻繁地發(fā)出強烈的耀斑，沖擊著在它附近運行的與地球質(zhì)量相當?shù)男行恰?/span>

來源：DIGITIZED SKY SURVEY 2. ACKNOWLEDGEMENT: DAVIDE DE MARTIN / MAHDI ZAMANI

需要明確的是，半人馬座比鄰星并不像太陽。它是一顆M矮星，一顆發(fā)出紅色光的小球體。這些小恒星以其超大的耀斑而聞名。不過一些類日恒星也會發(fā)出超級耀斑。

這種認識來自太空望遠鏡，一種被用來尋找其他恒星周圍的行星的設(shè)備。NASA現(xiàn)已關(guān)閉的開普勒望遠鏡通過尋找行星在太陽前方交叉時星光強度的微弱下降來做到這一點。

研究人員在一月份報告說，在4年多的時間里，開普勒在15顆類日恒星上記錄了26次超級耀斑——其能量大約是卡林頓事件的100倍。NASA正在進行的TESS任務(wù)是另一個尋找系外行星的太空望遠鏡，在其運行的第一年，在類日恒星上發(fā)現(xiàn)了類似頻率的超級耀斑。

開普勒望遠鏡的數(shù)據(jù)表明，類日恒星大約每6000年經(jīng)歷一次這種最強烈的耀斑。在那種時間跨度內(nèi)，我們的太陽最強大的爆發(fā)也要比其弱一個數(shù)量級——但是超級耀斑會出現(xiàn)在我們的未來嗎？

“我認為任何理論都沒有足夠的預(yù)測能力來說明任何事情，”哈德森說?！爸髁骼碚摶菊J為，太陽黑子越大，耀斑就越大?！碧柡谧訕顺隽颂柎艌龃┻^其表面的位置，防止熱氣從下方冒出來。黑子看起來很暗，因為它比周圍的一切都要冷。

這就是太陽和它爆發(fā)的鄰居之間的區(qū)別之一。超級耀斑似乎發(fā)生在那些擁有比太陽上任何時候都大得多的冷黑斑的恒星上。哈德遜說：“根據(jù)已知的斑點區(qū)域，因此會有一個限制?！?/span>

我們對任何一顆恒星的磁場機制——斑點、耀斑等——的復(fù)雜性仍然知之甚少，因此將所有這些觀察結(jié)果結(jié)合成一個有連貫的故事中尚需要時間。但是，對這一切的探索可能會改善對未來太陽的預(yù)測。

洛夫說，平均每個世紀可能會發(fā)生幾次威力強大、足以擾亂我們電網(wǎng)的耀斑?！盎仡?859年有助于我們更好地理解它，因為自1957年以來，太空時代發(fā)生的事情一直比較溫和?！碧栆呀?jīng)很久沒有像卡林頓一樣的耀斑了。1859年的悲劇在21世紀重演可能是災(zāi)難性的。

與1859年相比，現(xiàn)代人類對技術(shù)的依賴程度要高得多。如今，一場類似卡林頓的事件可能會對電網(wǎng)、衛(wèi)星和無線通信造成嚴重破壞。例如，1972年，一次太陽耀斑導(dǎo)致伊利諾伊州的長途電話線路中斷。1989年，一場耀斑使魁北克省的大部分地區(qū)停電，導(dǎo)致大約600萬人斷電長達9小時。2005年，一場太陽風(fēng)暴使GPS衛(wèi)星中斷了10分鐘。

最好的預(yù)防是預(yù)測。如果知道日冕物質(zhì)拋射正在進行中，操作人員就有時間安全地重新配置或關(guān)閉設(shè)備，以防止其被破壞。

建立額外的彈性機制也可能有所幫助。對于電網(wǎng)來說，這可能包括增加冗余或可以排出多余電荷的設(shè)備。聯(lián)邦機構(gòu)可以儲備一批移動電源變壓器，隨時準備部署到現(xiàn)有變壓器已被破壞的地區(qū)，這些變壓器在之前的太陽風(fēng)暴中已經(jīng)融化。在太空中，衛(wèi)星可以進入安全模式，等待風(fēng)暴結(jié)束。

卡靈頓事件并不是一次性的。這只是太陽能做什么的一個例子。如果對已發(fā)生的太陽耀斑的研究教會了我們什么，那就是人類不應(yīng)該懷疑類似的太陽風(fēng)暴是否會再次發(fā)生。我們應(yīng)該考慮會在什么時候發(fā)生。

制版編輯 | Morgan