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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(yáng)最近的比鄰星比平時(shí)亮了數(shù)千倍——在光譜的紫外范圍內(nèi)，亮度達(dá)到了往常的14000倍。假如有地球大小的行星圍繞該恒星運(yùn)行，如此高強(qiáng)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(yáng)變得如此憤怒，那將是個(gè)噩耗。

但太陽(yáng)確實(shí)也有爆發(fā)的時(shí)候——最著名的是在1859年9月2日黎明前的時(shí)刻。那時(shí)，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(lái)后，以為天亮了，就開始做早餐。幾天后，《泰晤士報(bào)》（Times of London）報(bào)道稱：“整個(gè)北半球都亮得像太陽(yáng)落山一小時(shí)后的樣子。”

與此同時(shí)，電報(bào)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(lái)，由于地球上有涌動(dòng)的電能，因此信號(hào)仍在繼續(xù)傳輸。

那個(gè)星期五所發(fā)生的事件讓人們回想起了《圣經(jīng)》中的描述。《Cincinnati Daily Commercial》報(bào)道說(shuō)：“天使之手改變了天堂的壯麗景色。”不過(guò)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力有點(diǎn)平淡無(wú)奇：天空被一大團(tuán)帶電氣體點(diǎn)燃了，這團(tuán)氣體從被稱為太陽(yáng)耀斑（solar flare）的閃光里噴出的。

深空天氣包含了由太陽(yáng)風(fēng)和深遠(yuǎn)的太陽(yáng)磁場(chǎng)所造成的的普遍狀況。太陽(yáng)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(lái)了可以在行星上感受到的磁“風(fēng)暴”。在地球上，這可能會(huì)導(dǎo)致令人驚嘆的極光，但也可能對(duì)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(dá)地球。而在日冕物質(zhì)拋射（CEM）中從太陽(yáng)噴出的物質(zhì)可能需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天的時(shí)間才能傳播這么遠(yuǎn)的距離。磁暴可能是短暫的，也可能持續(xù)很多天。

這種團(tuán)簇——等離子體和磁場(chǎng)的糾纏在一起——被稱為日冕物質(zhì)拋射（CEM）。一旦到達(dá)地球，這種拋射會(huì)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(jì)念一位曾目睹了耀斑的科學(xué)家。長(zhǎng)期以來(lái)，這場(chǎng)風(fēng)暴一直被認(rèn)為是太陽(yáng)所造成的最強(qiáng)大的沖擊。

但近年來(lái)的研究表明，相比太陽(yáng)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(yuǎn)過(guò)去所發(fā)生的劇烈太陽(yáng)風(fēng)暴的回聲。對(duì)于其他恒星，如比鄰星，研究表明即使是記錄在案的最強(qiáng)大的太陽(yáng)爆發(fā)，與可能發(fā)生爆發(fā)的相比也顯得蒼白無(wú)力。

盡管如此，太陽(yáng)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(píng)》中寫道，卡林頓事件為太陽(yáng)在未來(lái)可能為地球儲(chǔ)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(xiǎn)?！比缃裨诎l(fā)生類似卡林頓的事件之后，整個(gè)電網(wǎng)可能會(huì)關(guān)閉，GPS衛(wèi)星可能會(huì)被切斷。

了解太陽(yáng)風(fēng)暴的嚴(yán)重程度可以讓我們深入了解宇宙可能會(huì)給我們帶來(lái)什么——或許還能幫助我們預(yù)測(cè)下一次風(fēng)暴，以便我們?cè)谒l(fā)生時(shí)做好更充分的準(zhǔn)備。

耀斑剖析

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

理查德·卡林頓（Richard Carrington）在他的天文臺(tái)工作時(shí)，看到兩個(gè)明亮的光點(diǎn)從一堆黑色的太陽(yáng)黑子中出現(xiàn)，并在5分鐘內(nèi)消失。另一位英國(guó)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(yáng)上。與此同時(shí)，英格蘭喬城天文臺(tái)（England’s Kew Observatory）的羅盤狀指針在抖動(dòng)，暗示著磁暴即將到來(lái)。

在此之前，沒(méi)有人知道太陽(yáng)耀斑——主要是因?yàn)闆](méi)有人像卡靈頓那樣在每個(gè)晴朗的日子都追蹤太陽(yáng)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(yáng)耀斑的物理原理及其對(duì)地球的影響。

1859年，英國(guó)天文學(xué)家理查德·卡林頓（Richard Carrington）正在繪制太陽(yáng)黑子的草圖（左），他看到從太陽(yáng)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(gè)豆?fàn)顓^(qū)域依偎在這些斑點(diǎn)之間（在右側(cè)特寫中標(biāo)記為A和B）。五分鐘后，兩個(gè)白點(diǎn)向右漂移，明顯地消失了（標(biāo)記為C和D）。 

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

太陽(yáng)耀斑是太陽(yáng)上的一次爆發(fā)，一種突然的閃光——通常在太陽(yáng)黑子附近——可以釋放大約100億顆百萬(wàn)噸級(jí)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(wú)線電波到伽馬射線范圍的整個(gè)電磁波譜的輻射。

許多太陽(yáng)耀斑，盡管不是全部，都伴隨著日冕物質(zhì)拋射，太陽(yáng)的一大塊熾熱氣體連同糾纏的磁場(chǎng)一起被吹入太空。數(shù)十億噸的太陽(yáng)物質(zhì)會(huì)涌向太陽(yáng)系，在大約14個(gè)小時(shí)到幾天的時(shí)間里穿越1.5億公里到達(dá)地球軌道。

大多數(shù)太陽(yáng)噴發(fā)都與地球相距甚遠(yuǎn)。但偶爾也會(huì)有一次剛好瞄準(zhǔn)地球。這時(shí)事情就變得有趣了。

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

當(dāng)日冕物質(zhì)拋射遇到包圍地球的磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)引發(fā)地磁風(fēng)暴。對(duì)磁場(chǎng)的干擾會(huì)導(dǎo)致電流通過(guò)導(dǎo)體，包括電線甚至行星本身。與此同時(shí)，太陽(yáng)噴出的高速帶電粒子撞擊高層大氣中的原子，從而點(diǎn)亮了極光。

2017年9月6日，太陽(yáng)發(fā)出了一個(gè)強(qiáng)大的X級(jí)太陽(yáng)耀斑——這是為最強(qiáng)烈的耀斑預(yù)留的名稱。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）軌道太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)觀測(cè)站（Solar Dynamics Observatory）在紫外光下捕捉到的這次爆發(fā)，是多年來(lái)觀測(cè)到的最強(qiáng)耀斑之一，它發(fā)生在當(dāng)月一系列的太陽(yáng)爆發(fā)期間。這些發(fā)光的線是灼熱的等離子體細(xì)絲，它們被覆蓋在太陽(yáng)表面的弧形磁場(chǎng)所俘獲。

來(lái)源：NASA / GSFC / SDO

1859年的耀斑在其能量和對(duì)地球的影響方面一直都是突出的，現(xiàn)在依然如此。相對(duì)強(qiáng)大的太陽(yáng)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(lái)最強(qiáng)烈的風(fēng)暴，”丹佛美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的地球物理學(xué)家杰弗·洛夫（Jeffrey Love）說(shuō)?！斑@可能不完全正確，但它肯定是兩個(gè)最強(qiáng)烈的風(fēng)暴之一。” 或者三四個(gè)中的一個(gè)。

1921年5月，太陽(yáng)給我們的星球帶來(lái)了一場(chǎng)與卡林頓事件相當(dāng)?shù)牡卮棚L(fēng)暴。和1859年一樣，在遠(yuǎn)離極地的地方出現(xiàn)了燦爛的極光。電報(bào)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(chǎng)太陽(yáng)風(fēng)暴出現(xiàn)了，從某些方面來(lái)看，它可能已經(jīng)超過(guò)了前者。“現(xiàn)在看來(lái)，根據(jù)極光和稀疏磁力計(jì)的測(cè)量結(jié)果，1872 年的事件可能比卡林頓事件更大”，從美國(guó)空軍退休的太陽(yáng)物理學(xué)家埃德·克里弗（Ed Cliver）說(shuō)道。

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

被遺忘的耀斑

樹擁有很長(zhǎng)的記憶，它以同心圓年輪的形式記錄每年的生長(zhǎng)。與此同時(shí)也記錄了當(dāng)時(shí)環(huán)境狀況的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。研究人員可以從這些年輪中重建地球過(guò)去的場(chǎng)景。

日本的一些雪松樹記錄了公元775年左右從太陽(yáng)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(lái)自于大氣中的氮和宇宙射線之間的碰撞——來(lái)自太空的高速粒子每天都在撞擊我們的星球。一些太陽(yáng)耀斑會(huì)向地球發(fā)射過(guò)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(yáng)正常漲落時(shí)的20倍 。

哈德遜說(shuō)道：“很明顯，超級(jí)事件可能會(huì)發(fā)生，因?yàn)檫@是10倍——如果是太陽(yáng)耀斑——比卡林頓事件大10倍或20倍甚至更多。”

2011年3月1日凌晨，太陽(yáng)風(fēng)的漣漪沖擊了地球磁場(chǎng)，引發(fā)了一場(chǎng)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(lái)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(chǎng)大規(guī)模太陽(yáng)事件的跡象。來(lái)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(xiàng)對(duì)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(jìn)行同行評(píng)審的論文中），研究人員報(bào)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(gè)碳-14峰值，可能與775年的事件相當(dāng)。

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(shuō)，很難直接將過(guò)去的這些風(fēng)暴與卡林頓事件進(jìn)行比較。1859年的耀斑沒(méi)有在地球上產(chǎn)生粒子雨，因此沒(méi)有碳-14的計(jì)數(shù)可以比較。但烏索斯金說(shuō)，775年的事件似乎是過(guò)去12000年來(lái)記錄到的最強(qiáng)的太陽(yáng)粒子風(fēng)暴之一。

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

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

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(jí)耀斑

如果圍繞比鄰星運(yùn)行的行星上確實(shí)存在生命，那么它可能會(huì)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(shuō)：“你真的會(huì)看到每天都在發(fā)生類似的卡林頓事件?！备鼜?qiáng)烈的“超級(jí)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(huì)發(fā)生一次。她的團(tuán)隊(duì)在觀察了隔壁恒星僅僅40時(shí)后便發(fā)現(xiàn)了這種耀斑，其強(qiáng)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(yuǎn)不會(huì)有時(shí)間恢復(fù)?！笆堑?，（地球上的）卡林頓事件會(huì)燒毀一些電子設(shè)備并破壞GPS信號(hào)，”麥格雷戈說(shuō)，“但它不會(huì)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(yáng)最近的恒星，距離太陽(yáng)僅4.2光年。三者中最近的比鄰星是一個(gè)暗紅色的天體，頻繁地發(fā)出強(qiáng)烈的耀斑，沖擊著在它附近運(yùn)行的與地球質(zhì)量相當(dāng)?shù)男行恰?/span>

來(lái)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(yáng)。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(guò)一些類日恒星也會(huì)發(fā)出超級(jí)耀斑。

這種認(rèn)識(shí)來(lái)自太空望遠(yuǎn)鏡，一種被用來(lái)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(yuǎn)鏡通過(guò)尋找行星在太陽(yáng)前方交叉時(shí)星光強(qiáng)度的微弱下降來(lái)做到這一點(diǎn)。

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

開普勒望遠(yuǎn)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(qiáng)烈的耀斑。在那種時(shí)間跨度內(nèi)，我們的太陽(yáng)最強(qiáng)大的爆發(fā)也要比其弱一個(gè)數(shù)量級(jí)——但是超級(jí)耀斑會(huì)出現(xiàn)在我們的未來(lái)嗎？

“我認(rèn)為任何理論都沒(méi)有足夠的預(yù)測(cè)能力來(lái)說(shuō)明任何事情，”哈德森說(shuō)?！爸髁骼碚摶菊J(rèn)為，太陽(yáng)黑子越大，耀斑就越大。”太陽(yáng)黑子標(biāo)出了太陽(yáng)磁場(chǎng)穿過(guò)其表面的位置，防止熱氣從下方冒出來(lái)。黑子看起來(lái)很暗，因?yàn)樗戎車囊磺卸家洹?/span>

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

我們對(duì)任何一顆恒星的磁場(chǎng)機(jī)制——斑點(diǎn)、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(gè)有連貫的故事中尚需要時(shí)間。但是，對(duì)這一切的探索可能會(huì)改善對(duì)未來(lái)太陽(yáng)的預(yù)測(cè)。

洛夫說(shuō)，平均每個(gè)世紀(jì)可能會(huì)發(fā)生幾次威力強(qiáng)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?yàn)樽?957年以來(lái)，太空時(shí)代發(fā)生的事情一直比較溫和?！碧?yáng)已經(jīng)很久沒(méi)有像卡林頓一樣的耀斑了。1859年的悲劇在21世紀(jì)重演可能是災(zāi)難性的。

與1859年相比，現(xiàn)代人類對(duì)技術(shù)的依賴程度要高得多。如今，一場(chǎng)類似卡林頓的事件可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)、衛(wèi)星和無(wú)線通信造成嚴(yán)重破壞。例如，1972年，一次太陽(yáng)耀斑導(dǎo)致伊利諾伊州的長(zhǎng)途電話線路中斷。1989年，一場(chǎng)耀斑使魁北克省的大部分地區(qū)停電，導(dǎo)致大約600萬(wàn)人斷電長(zhǎng)達(dá)9小時(shí)。2005年，一場(chǎng)太陽(yáng)風(fēng)暴使GPS衛(wèi)星中斷了10分鐘。

最好的預(yù)防是預(yù)測(cè)。如果知道日冕物質(zhì)拋射正在進(jìn)行中，操作人員就有時(shí)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(jī)制也可能有所幫助。對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，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(jī)構(gòu)可以儲(chǔ)備一批移動(dòng)電源變壓器，隨時(shí)準(zhǔn)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(yáng)風(fēng)暴中已經(jīng)融化。在太空中，衛(wèi)星可以進(jìn)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(yáng)能做什么的一個(gè)例子。如果對(duì)已發(fā)生的太陽(yáng)耀斑的研究教會(huì)了我們什么，那就是人類不應(yīng)該懷疑類似的太陽(yáng)風(fēng)暴是否會(huì)再次發(fā)生。我們應(yīng)該考慮會(huì)在什么時(shí)候發(fā)生。

制版編輯 | Morgan