准备好了吗？来看看太阳耀斑能有多大
撰文 | Christopher Crockett
翻译 | 赵金瑜
校对 | 董惠玥
2019年5月1日，隔壁的恒星爆发了。
在短短几秒钟内，距离太阳最近的比邻星比平时亮了数千倍——在光谱的紫外范围内，亮度达到了往常的14000倍。假如有地球大小的行星围绕该恒星运行，如此高强度的辐射爆发足以分离这颗行星上可能存在的任何水分子。如此大规模的重复爆炸可能已经剥离了这颗行星的任何大气层。
如果我们的太阳变得如此愤怒，那将是个噩耗。
但太阳确实也有爆发的时候——最著名的是在1859年9月2日黎明前的时刻。那时，一道灿烂的极光照亮了地球，最南抵达哈瓦那。密苏里州的人们可以借着它的光亮读书，而睡在落基山脉户外的矿工们醒来后，以为天亮了，于是开始做早餐。几天后，《泰晤士报》报道称：“整个北半球都亮得像太阳落山才一小时一样。”
与此同时，电报网络也陷入了混乱。设备火花四溅，其中一些还起火了——在波士顿和缅因州的波特兰市，工作人员将电报的电缆从电池中拔了出来，但由于地球上有涌动的电能，因此信号仍在继续传输。
那个星期五所发生的事件让人们回想起了《圣经》中的描述。《辛辛那提每日商报》报道说：“天使的巧手使得天堂的景色变得壮丽无比。”不过产生这个景象的背后原因却没那么有美感：天空被一大团带电气体点燃了，这团气体是从被称为太阳耀斑的闪光里喷出的。
等离子体和磁场纠缠在一起的团块被称为日冕物质抛射（CME）。一旦到达地球，这种抛射会引发最猛烈的地磁暴。1859年的风暴被命名为“卡灵顿事件”，以纪念这位曾目睹了这次耀斑的科学家。长期以来，这场风暴一直被认为是太阳所传送过的最强大的冲击。
但近年来的研究表明，相比太阳可能的爆发规模，卡灵顿事件只是太阳向地球投掷物质的一次小小的尝试。树轮和冰芯的记录中可以窥见遥远过去所发生的剧烈太阳风暴的回声。研究表明，即使是记录在案的最强大的太阳爆发，与可能发生过的爆发相比也显得苍白无力。
尽管如此，来自格拉斯哥大学的太阳物理学家休·哈德森在2021年的《天文学与天体物理学年评》中写道，卡灵顿事件提供了重要线索，太阳在未来可能的爆发会带给地球深远的影响。哈德森写道：“人类的技术资产，尤其是空间技术资产，正面临着危险。”现如今，如果发生类似卡灵顿的事件，整个电网可能会关闭，GPS卫星可能会被切断。
了解太阳风暴的严重程度，可以让我们深入了解宇宙可能会给我们带来什么——或许还能帮助我们预测下一次风暴，以便我们在它发生前做好更充分的准备。
1859年的太阳爆发事件，照亮了地球的天空。在此之前的大约18小时，一位英国天文学家注意到太阳表面有一些奇怪的东西。
理查德·卡灵顿在他的天文台工作时，看到两个明亮的光点从一堆黑色的太阳黑子中出现，并在5分钟内消失。另一位英国天文学家理查德·霍奇森也看到了同样的景象，并指出那就像耀眼的织女星出现在了太阳上一样。与此同时，英格兰的乔城天文台的罗盘状指针在猛烈抖动，暗示着磁暴即将到来。
在此之前，没有人了解太阳耀斑——主要是因为没有人像卡灵顿那样在每个晴朗的日子都追踪太阳黑子。直至几十年后，天文学家和物理学家才得以揭示太阳耀斑的物理原理及其对地球的影响。
1859年，英国天文学家理查德·卡灵顿正在绘制太阳黑子的草图（左），他注意到从太阳顶部附近的一大片黑子中冒出两颗光珠。卡灵顿画出了首次亮相的耀斑，两个豆状区域依偎在这些斑点之间（在右侧特写中被标记为A和B）。五分钟后，两个白点向右漂移，并明显地消失了（标记为C和D）。
图片来源：S. PROSSER，牛津大学出版社 2018（左）/ 理查德·卡灵顿，公共版权（右）
太阳耀斑是太阳上的一次爆发，是一种突然的闪光——通常在太阳黑子附近——可以释放大约100亿颗百万吨级核弹的能量。突然地局部释放被压制的磁能是太阳耀斑的触发因素，一次爆发能释放出从射电电波到伽马射线范围的整个电磁波谱的辐射。
许多太阳耀斑，尽管不是全部，都伴随着日冕物质抛射，太阳的一大块炽热气体连同纠缠的磁场一起被吹入太空。数十亿吨的太阳物质会涌向太阳系，在大约14个小时到几天的时间里穿越1.5亿公里到达地球轨道。
大多数太阳喷发都与地球相距甚远。但偶尔也会有一次刚好瞄准地球。这时事情就变得有趣了。
太阳耀斑发生大约8分钟后，它的光以肉眼可见的闪光形式到达地球。当紫外线和X射线的尖峰喷射到上层大气时，会在地表造成轻微的磁扰。这便是1859 年乔城天文台的磁性仪器所探测到的震动。
当日冕物质抛射遇到包围地球的磁场时，会引发地磁风暴。对磁场的干扰会导致电流通过导体，包括电线甚至地球本身。与此同时，太阳喷出的高速带电粒子撞击上层大气中的原子，从而点亮了极光。
2017年9月6日，太阳发出了一个强大的X级太阳耀斑——这是对最强烈的耀斑的称谓。NASA的太阳轨道动力学观测台在紫外光下捕捉到的这次爆发，是多年来观测到的最强耀斑之一，它发生在当月一系列的太阳爆发期间。这些发光的线状物是灼热的等离子体细丝，它们被覆盖在太阳表面的弧形磁场所俘获。（来源：NASA / GSFC / SDO）
1859年的耀斑在其能量和对地球的影响方面一直都是最强烈的事件，现在依然如此。相对强大的太阳喷发通常被称为“卡灵顿事件”。但它并不是唯一突出的。
“它经常被描述为有记载以来最强烈的风暴，”美国地质调查局的地球物理学家杰弗·洛夫说。“这可能不完全精确，但它肯定是两次或者最多三四次最强烈的太阳风暴之一。”
1921年5月，太阳给我们的星球带来了一场与卡灵顿事件相当的地磁风暴。和1859年发生的一样，在远离极地的地区出现了灿烂的极光。电报和电话系统失灵，一些还引发一些破坏性的火灾。
仅在卡灵顿发现了以其命名的耀斑的13年后，另一场太阳风暴出现了。从某些方面来看，它可能已经超过了前者。“现在根据极光和零星的磁强计测量结果来看，1872 年的事件可能比卡灵顿事件更大”，已退休的美国空军太阳物理学家埃德·克里弗说道。
哈德森说，这些风暴表明卡灵顿事件并不是黑天鹅事件，来自更久远的一些证据表明，卡灵顿事件与远古的太阳风暴相比显得微不足道。
树木拥有很长的记忆，它们以同心圆年轮的形式记录每年的生长，与此同时也记录了当时环境状况的点点滴滴。研究人员可以根据这些年轮信息重建地球过去的场景。
日本的一些雪松树记录了公元775年左右从太阳喷出的原子粒子“海啸”。这些树木年轮显示碳-14含量显著上升，碳-14是树木从大气中吸收的一种放射性碳变体。碳-14来自于大气中的氮和宇宙射线之间的碰撞——来自太空的高速粒子每天都在撞击我们的星球。一些太阳耀斑会向地球抛撒出过量的宇宙射线，从而增加了碳-14的产生。研究人员在2012年的一项研究中指出，775年记录下来的碳-14水平的变化大约是太阳正常涨落时的20倍 。
哈德森说道：“很明显，这显示可能曾经发生过超级事件——如果它曾是太阳耀斑的话，会比卡灵顿事件大10倍或20倍甚至更多。”
2011年3月1日凌晨，太阳风的涟漪冲击了地球磁场，引发了一场轻微的地磁风暴，导致在阿拉斯加扑克滩研究区域上空产生的飘渺的极光。
来源：NASA / GSFC / JAMES SPANN
树木年轮中碳-14的增加显示出，公元994年发生过另一场大规模太阳事件的迹象。来自南极洲的冰芯显示，在公元994年和775年中，另一种宇宙射线的产物铍-10的含量都相应增加了，这使得科学家们更加确信在树木年轮中的发现。
再往前看，一项对冰芯的研究表明，大约在公元前660年发生了三次类似事件。今年8月（在一篇仍在进行同行评审的论文中），研究人员报告了约公元前7176年和公元前5259年出现在树木年轮中的两个碳-14峰值，可能与公元775年的事件相当。
芬兰奥卢大学的空间物理学家、同时也是上述8月研究的合著者伊利亚·乌索斯金说，很难直接将过去的这些风暴与卡灵顿事件进行比较。1859年的耀斑没有在地球上产生粒子雨，因此没有碳-14的计数可以比较。但乌索斯金说，775年的事件似乎是过去12000年以来记录到的最强的太阳粒子风暴之一。
另外一个需要注意问题，哈德森指出。树的年轮每年都会出现一条，因此几个月范围内出现的一些较小的耀斑可能会作为树木年轮记录中的一个大事件出现。
但即便如此，这些较小的耀斑中的任何一个都可能令人印象深刻。“就能量而言，这些事件中的每一个都至少是卡灵顿事件的三倍，”克里弗说。
然而，与我们银河系中的其他一些恒星相比，这仍然算不了什么。
如果围绕比邻星运行的行星上确实存在生命，那么它可能会经历一段艰难的旅程。
科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家梅雷迪思·麦格雷戈说：“你真的会看到每天都在发生类似的卡灵顿事件。”甚至是更强烈的“超级耀斑”，就像她和同事在2019年发现的那种，可能每隔一天就会发生一次。她的团队在观察了比邻星仅仅40小时后便发现了这种耀斑，其强度可能是卡灵顿事件的100倍。
在几乎持续不断的耀斑的冲击下，任何依附在靠近恒星的岩石行星上的大气都将永远不会有时间恢复。“是的，（地球上的）卡灵顿事件会烧毁一些电子设备并破坏GPS信号，”麦格雷戈说，“但它不会破坏我们星球的宜居性。”
半人马座比邻星和邻近的半人马座阿尔法星A和B是距离太阳最近的恒星，距离太阳仅4.2光年。三者中最近的比邻星是一个暗红色的天体，频繁地发出强烈的耀斑，冲击着在它附近运行的与地球质量相当的行星。（来源：DIGITIZED SKY SURVEY 2. ACKNOWLEDGEMENT: DAVIDE DE MARTIN / MAHDI ZAMANI）
需要明确的是，半人马座比邻星并不像太阳。它是一颗M矮星，一颗发出红色光的小球体。这些小恒星以其超大的耀斑而闻名。不过一些类日恒星也会发出超级耀斑。
这种认识来自太空望远镜，一种被用来寻找其他恒星周围的行星的设备。NASA现已关闭的开普勒望远镜，曾经通过寻找行星在太阳前方交叉时星光强度的微弱下降来做到这一点。
研究人员在一月份的报告中表示，在过去4年多的时间里，开普勒在15颗类日恒星上记录了26次超级耀斑——其能量大约是卡灵顿事件的100倍。NASA正在进行的TESS任务是另一个寻找系外行星的太空望远镜，在其运行的第一年，在类日恒星上发现了类似频率的超级耀斑。
开普勒望远镜的数据表明，类日恒星大约每6000年经历一次这种最强烈的耀斑。在那种时间跨度内，我们的太阳最强大的爆发也要比其弱一个数量级——但是超级耀斑会出现在我们的未来吗？
“我认为任何理论都没有足够的预测能力来说明任何事情，”哈德森说。“主流理论基本认为，太阳黑子越大，耀斑就越大。”太阳黑子标出了太阳磁场穿过其表面的位置，防止热量从下方冒出来。太阳黑子看起来很暗，因为它比周围一切的温度都要低。
这就是太阳和它爆发的邻居之间的区别之一。超级耀斑似乎发生在那些拥有比在太阳上出现过的都大得多的冷黑斑的恒星上。哈德森说：“根据已知的斑点区域，会存在一个限制。”
我们对任何一颗恒星的磁场机制——斑点、耀斑等——的复杂性仍然知之甚少，因此将所有这些观察结果结合成一个有连贯的故事中尚需要时间。但为理解这一切所进行的探索，可能会在未来提高人类对太阳的预测的准确性。
洛夫说，平均每个世纪可能会发生几次威力强大、足以扰乱我们电网的耀斑。“回顾1859年的事件，有助于我们更好地理解它，因为自1957年以来，在太空中发生的事情一直都比较温和。”太阳已经很久没有出现过像卡灵顿事件一样的耀斑了。1859年的情况在21世纪重演可能造成灾难性的后果。
与1859年相比，现代人类对技术的依赖程度要高得多。如今，一场类似卡灵顿的事件可能会对电网、卫星和无线通信造成严重破坏。例如，在1972年，一次太阳耀斑导致伊利诺伊州的长途电话线路中断。1989年，一场耀斑使魁北克省的大部分地区停电，导致大约600万人断电长达9小时。2005年，一场太阳风暴使GPS卫星中断了10分钟。
最好的预防是预测。如果知道日冕物质抛射正在进行中，操作人员就有时间安全地重新配置或关闭设备，以防止其被破坏。
建立额外的弹性机制也可能有所帮助。对于电网来说，这可能包括增加冗余或可以排出多余电荷的设备。联邦机构可以储备一批移动电源变压器，随时准备部署到现有变压器已被破坏的地区，这些变压器在之前的太阳风暴中已经受损。在太空中，卫星可以进入安全模式，等待风暴结束。
卡灵顿事件并不是一次性的。这只是太阳能导致什么后果的一个例子。如果说这些针对已发生的太阳耀斑的研究教会了我们什么，那就是人类不应该怀疑类似的太阳风暴会不会再次发生。我们应该考虑的是它会在什么时候发生。
译名表
克里斯托夫·克罗克特 Christopher Crockett
卡灵顿事件 Carrington Event
《泰晤士报》 Times of London
《辛辛那提每日商报》 The Cincinnati Daily Commercial
日冕物质抛射 coronal mass ejection(CME)
休·哈德森 Hugh Hudson
《天文学与天体物理学年评》 Annual Review of Astronomy and Astrophysics
理查德·卡灵顿 Richard Carrington
理查德·霍奇森 Richard Hodgson
乔城天文台 England’s Kew Observatory
美国国家航空航天局 NASA
太阳动力学观测台 Solar Dynamics Observatory
杰弗·洛夫 Jeffrey Love
埃德·克里弗 Ed Cliver
扑克滩研究区域 the Poker Flat Research Range
芬兰奥卢大学 University of Oulu
伊利亚·乌索斯金 Ilya Usoskin
梅雷迪思·麦格雷戈 Meredith MacGregor
凌星系外行星巡天卫星 TESS Mission