來源：賽先生

卡靈頓事件（Carrington Event）是地球過去遭遇到的標誌性超級太陽風暴事件，但遠非唯一。如今，科學家們揭示了來自太陽的更大規模的、具有潛在破壞性爆發的可能性。瞭解太陽風暴的嚴重程度，或許還能幫助我們預測下一次風暴，以便我們在它發生前做好更充分的準備。

撰文 | Christopher Crockett

翻譯 | 趙金瑜

校對 | 董惠玥

2019年5月1日，隔壁的恆星爆發了。

在短短几秒鐘內，距離太陽最近的比鄰星比平時亮了數千倍——在光譜的紫外範圍內，亮度達到了往常的14000倍。假如有地球大小的行星圍繞該恆星運行，如此高強度的輻射爆發足以分離這顆行星上可能存在的任何水分子。如此大規模的重複爆炸可能已經剝離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，最南抵達哈瓦那。密蘇里州的人們可以藉着它的光亮讀書，而睡在落基山脈戶外的礦工們醒來後，以爲天亮了，於是開始做早餐。幾天後，《泰晤士報》報道稱：“整個北半球都亮得像太陽落山才一小時一樣。”

與此同時，電報網絡也陷入了混亂。設備火花四濺，其中一些還起火了——在波士頓和緬因州的波特蘭市，工作人員將電報的電纜從電池中拔了出來，但由於地球上有湧動的電能，因此信號仍在繼續傳輸。

那個星期五所發生的事件讓人們回想起了《聖經》中的描述。《辛辛那提每日商報》報道說：“天使的巧手使得天堂的景色變得壯麗無比。”不過產生這個景象的背後原因卻沒那麼有美感：天空被一大團帶電氣體點燃了，這團氣體是從被稱爲太陽耀斑的閃光裏噴出的。

太陽對空間天氣的影響  “空間天氣”包含了太陽系中由太陽風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，如耀斑和物質噴發，就像天氣鋒面一樣，帶來了可以在行星上感受到的磁“暴”。在地球上，這可能會導致令人驚歎的極光，但也可能對電子設備造成嚴重破壞。耀斑發出的閃光大約需要8分鐘才能到達地球，而在日冕物質拋射中從太陽噴出的物質可能需要數小時到數天的時間才能達到地球。磁暴可能是短暫的，也可能持續多日。（來源：克里斯托夫·克羅克特報道。製圖：knowable magezine）

等離子體和磁場糾纏在一起的團塊被稱爲日冕物質拋射（CME）。一旦到達地球，這種拋射會引發最猛烈的地磁暴。1859年的風暴被命名爲“卡靈頓事件”，以紀念這位曾目睹了這次耀斑的科學家。長期以來，這場風暴一直被認爲是太陽所傳送過的最強大的衝擊。

但近年來的研究表明，相比太陽可能的爆發規模，卡靈頓事件只是太陽向地球投擲物質的一次小小的嘗試。樹輪和冰芯的記錄中可以窺見遙遠過去所發生的劇烈太陽風暴的回聲。研究表明，即使是記錄在案的最強大的太陽爆發，與可能發生過的爆發相比也顯得蒼白無力。

儘管如此，來自格拉斯哥大學的太陽物理學家休·哈德森在2021年的《天文學與天體物理學年評》中寫道，卡靈頓事件提供了重要線索，太陽在未來可能的爆發會帶給地球深遠的影響。哈德森寫道：“人類的技術資產，尤其是空間技術資產，正面臨着危險。”現如今，如果發生類似卡靈頓的事件，整個電網可能會關閉，GPS衛星可能會被切斷。

瞭解太陽風暴的嚴重程度，可以讓我們深入瞭解宇宙可能會給我們帶來什麼——或許還能幫助我們預測下一次風暴，以便我們在它發生前做好更充分的準備。

01

耀斑剖析

1859年的太陽爆發事件，照亮了地球的天空。在此之前的大約18小時，一位英國天文學家注意到太陽表面有一些奇怪的東西。

理查德·卡靈頓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，並在5分鐘內消失。另一位英國天文學家理查德·霍奇森也看到了同樣的景象，並指出那就像耀眼的織女星出現在了太陽上一樣。與此同時，英格蘭的喬城天文臺的羅盤狀指針在猛烈抖動，暗示着磁暴即將到來。

在此之前，沒有人瞭解太陽耀斑——主要是因爲沒有人像卡靈頓那樣在每個晴朗的日子都追蹤太陽黑子。直至幾十年後，天文學家和物理學家才得以揭示太陽耀斑的物理原理及其對地球的影響。

1859年，英國天文學家理查德·卡靈頓正在繪製太陽黑子的草圖（左），他注意到從太陽頂部附近的一大片黑子中冒出兩顆光珠。卡靈頓畫出了首次亮相的耀斑，兩個豆狀區域依偎在這些斑點之間（在右側特寫中被標記爲A和B）。五分鐘後，兩個白點向右漂移，並明顯地消失了（標記爲C和D）。 圖片來源：S。 PROSSER，牛津大學出版社 2018（左）/ 理查德·卡靈頓，公共版權（右）

太陽耀斑是太陽上的一次爆發，是一種突然的閃光——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太陽耀斑的觸發因素，一次爆發能釋放出從射電電波到伽馬射線範圍的整個電磁波譜的輻射。

許多太陽耀斑，儘管不是全部，都伴隨着日冕物質拋射，太陽的一大塊熾熱氣體連同糾纏的磁場一起被吹入太空。數十億噸的太陽物質會湧向太陽系，在大約14個小時到幾天的時間裏穿越1.5億公里到達地球軌道。

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

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

當日冕物質拋射遇到包圍地球的磁場時，會引發地磁風暴。對磁場的干擾會導致電流通過導體，包括電線甚至地球本身。與此同時，太陽噴出的高速帶電粒子撞擊上層大氣中的原子，從而點亮了極光。

2017年9月6日，太陽發出了一個強大的X級太陽耀斑——這是對最強烈的耀斑的稱謂。NASA的太陽軌道動力學觀測臺在紫外光下捕捉到的這次爆發，是多年來觀測到的最強耀斑之一，它發生在當月一系列的太陽爆發期間。這些發光的線狀物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最強烈的事件，現在依然如此。相對強大的太陽噴發通常被稱爲“卡靈頓事件”。但它並不是唯一突出的。

“它經常被描述爲有記載以來最強烈的風暴，”美國地質調查局的地球物理學家傑弗·洛夫說。“這可能不完全精確，但它肯定是兩次或者最多三四次最強烈的太陽風暴之一。” 

1921年5月，太陽給我們的星球帶來了一場與卡靈頓事件相當的地磁風暴。和1859年發生的一樣，在遠離極地的地區出現了燦爛的極光。電報和電話系統失靈，一些還引發一些破壞性的火災。

僅在卡靈頓發現了以其命名的耀斑的13年後，另一場太陽風暴出現了。從某些方面來看，它可能已經超過了前者。“現在根據極光和零星的磁強計測量結果來看，1872 年的事件可能比卡靈頓事件更大”，已退休的美國空軍太陽物理學家埃德·克里弗說道。

哈德森說，這些風暴表明卡靈頓事件並不是黑天鵝事件，來自更久遠的一些證據表明，卡靈頓事件與遠古的太陽風暴相比顯得微不足道。

02

被遺忘的耀斑

樹木擁有很長的記憶，它們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境狀況的點滴。研究人員可以根據這些年輪信息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”。這些樹木年輪顯示碳-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來自於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拋撒出過量的宇宙射線，從而增加了碳-14的產生。研究人員在2012年的一項研究中指出，775年記錄下來的碳-14水平的變化大約是太陽正常漲落時的20倍 。

哈德森說道：“很明顯，這顯示可能曾經發生過超級事件——如果它曾是太陽耀斑的話，會比卡靈頓事件大10倍或20倍甚至更多。”

2011年3月1日凌晨，太陽風的漣漪衝擊了地球磁場，引發了一場輕微的地磁風暴，導致在阿拉斯加撲克灘研究區域上空產生的飄渺的極光。來源：NASA / GSFC / JAMES SPANN

樹木年輪中碳-14的增加顯示出，公元994年發生過另一場大規模太陽事件的跡象。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物鈹-10的含量都相應增加了，這使得科學家們更加確信在樹木年輪中的發現。

再往前看，一項對冰芯的研究表明，大約在公元前660年發生了三次類似事件。今年8月（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年出現在樹木年輪中的兩個碳-14峯值，可能與公元775年的事件相當。

芬蘭奧盧大學的空間物理學家、同時也是上述8月研究的合著者伊利亞·烏索斯金說，很難直接將過去的這些風暴與卡靈頓事件進行比較。1859年的耀斑沒有在地球上產生粒子雨，因此沒有碳-14的計數可以比較。但烏索斯金說，775年的事件似乎是過去12000年以來記錄到的最強的太陽粒子風暴之一。

另外一個需要注意問題，哈德森指出。樹的年輪每年都會出現一條，因此幾個月範圍內出現的一些較小的耀斑可能會作爲樹木年輪記錄中的一個大事件出現。

但即便如此，這些較小的耀斑中的任何一個都可能令人印象深刻。“就能量而言，這些事件中的每一個都至少是卡靈頓事件的三倍，”克里弗說。

然而，與我們銀河系中的其他一些恆星相比，這仍然算不了什麼。

03

超級耀斑

如果圍繞比鄰星運行的行星上確實存在生命，那麼它可能會經歷一段艱難的旅程。

科羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家梅雷迪思·麥格雷戈說：“你真的會看到每天都在發生類似的卡靈頓事件。”甚至是更強烈的“超級耀斑”，就像她和同事在2019年發現的那種，可能每隔一天就會發生一次。她的團隊在觀察了比鄰星僅僅40小時後便發現了這種耀斑，其強度可能是卡靈頓事件的100倍。

在幾乎持續不斷的耀斑的衝擊下，任何依附在靠近恆星的岩石行星上的大氣都將永遠不會有時間恢復。“是的，（地球上的）卡靈頓事件會燒燬一些電子設備並破壞GPS信號，”麥格雷戈說，“但它不會破壞我們星球的宜居性。”

半人馬座比鄰星和鄰近的半人馬座阿爾法星A和B是距離太陽最近的恆星，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，頻繁地發出強烈的耀斑，衝擊着在它附近運行的與地球質量相當的行星。（來源：DIGITIZED SKY SURVEY 2。 ACKNOWLEDGEMENT： DAVIDE DE MARTIN / MAHDI ZAMANI）

需要明確的是，半人馬座比鄰星並不像太陽。它是一顆M矮星，一顆發出紅色光的小球體。這些小恆星以其超大的耀斑而聞名。不過一些類日恆星也會發出超級耀斑。

這種認識來自太空望遠鏡，一種被用來尋找其他恆星周圍的行星的設備。NASA現已關閉的開普勒望遠鏡，曾經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。

研究人員在一月份的報告中表示，在過去4年多的時間裏，開普勒在15顆類日恆星上記錄了26次超級耀斑——其能量大約是卡靈頓事件的100倍。NASA正在進行的TESS任務是另一個尋找系外行星的太空望遠鏡，在其運行的第一年，在類日恆星上發現了類似頻率的超級耀斑。

開普勒望遠鏡的數據表明，類日恆星大約每6000年經歷一次這種最強烈的耀斑。在那種時間跨度內，我們的太陽最強大的爆發也要比其弱一個數量級——但是超級耀斑會出現在我們的未來嗎？

“我認爲任何理論都沒有足夠的預測能力來說明任何事情，”哈德森說。“主流理論基本認爲，太陽黑子越大，耀斑就越大。”太陽黑子標出了太陽磁場穿過其表面的位置，防止熱量從下方冒出來。太陽黑子看起來很暗，因爲它比周圍一切的溫度都要低。

這就是太陽和它爆發的鄰居之間的區別之一。超級耀斑似乎發生在那些擁有比在太陽上出現過的都大得多的冷黑斑的恆星上。哈德森說：“根據已知的斑點區域，會存在一個限制。”

我們對任何一顆恆星的磁場機制——斑點、耀斑等——的複雜性仍然知之甚少，因此將所有這些觀察結果結合成一個有連貫的故事中尚需要時間。但爲理解這一切所進行的探索，可能會在未來提高人類對太陽的預測的準確性。

洛夫說，平均每個世紀可能會發生幾次威力強大、足以擾亂我們電網的耀斑。“回顧1859年的事件，有助於我們更好地理解它，因爲自1957年以來，在太空中發生的事情一直都比較溫和。”太陽已經很久沒有出現過像卡靈頓事件一樣的耀斑了。1859年的情況在21世紀重演可能造成災難性的後果。

與1859年相比，現代人類對技術的依賴程度要高得多。如今，一場類似卡靈頓的事件可能會對電網、衛星和無線通信造成嚴重破壞。例如，在1972年，一次太陽耀斑導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停電，導致大約600萬人斷電長達9小時。2005年，一場太陽風暴使GPS衛星中斷了10分鐘。

最好的預防是預測。如果知道日冕物質拋射正在進行中，操作人員就有時間安全地重新配置或關閉設備，以防止其被破壞。

建立額外的彈性機制也可能有所幫助。對於電網來說，這可能包括增加冗餘或可以排出多餘電荷的設備。聯邦機構可以儲備一批移動電源變壓器，隨時準備部署到現有變壓器已被破壞的地區，這些變壓器在之前的太陽風暴中已經受損。在太空中，衛星可以進入安全模式，等待風暴結束。

卡靈頓事件並不是一次性的。這只是太陽能導致什麼後果的一個例子。如果說這些針對已發生的太陽耀斑的研究教會了我們什麼，那就是人類不應該懷疑類似的太陽風暴會不會再次發生。我們應該考慮的是它會在什麼時候發生。