公元775年，在英国的萨西克斯郡，日落后的天空中可以看到火焰似的可怕迹象——科学家认为，这是有史以来最强太阳爆发的证据。图为太阳活动产生的极光，来源：Spaceweather.com
（文/ Stuart Clark）公元775年，具有某种强大威力的东西击中了地球。欧洲当时正深陷黑暗时代，天空却被照亮了。“日落后的天空中可以看到火焰似的可怕迹象；（英国）萨西克斯郡出现了蛇，它们就像从地里突然冒出来的一样，把所有人都吓坏了，”13世纪英格兰编年史家温多弗的罗杰（Roger of Wendover）如此写道。
我们所掌握的，还不仅仅是他的描述。2012年找到的新证据表明，那一年在太阳系中发生了灾变事件。但是，是什么呢？伴随这一事件发生的，既没有大规模物种灭绝，也没有任何环境灾难的迹象。更为神秘的是，它没有在目前的天空中留下任何痕迹。
对于曾经发生了什么，唯一的线索被锁在了古老树木的年轮之中。它们昭示出来的东西令人害怕。一次极为强劲的辐射爆发，突然轰击了我们的大气层，改变了它的成分达千年之久。虽然中世纪的世界看上去未受波及，但要是发生在今天，我们就不会这么幸运了。我们依赖技术的现代社会，会被这一事件彻底摧毁：卫星烧毁，电厂熔化，通讯和电力供应会中断长达数年之久。我们可能永远也无法东山再起。
于是，确认这一爆发的源头，就成为了当务之急。尽管提出的肇事元凶各种各样，不过现在我们正在越来越接近问题的答案。这个罪魁祸首距离我们，似乎近得让人提心吊胆。
由于没有技术可以破坏，它对中世纪世界的影响非常轻微。如果不是日本名古屋大学的三宅芙沙（Fusa Miyake）及其同事，我们也许会全然不知它的存在。他们在两种寿命很长的日本雪松的年轮中，搜寻了古代大型辐射暴留下的证据，尤其是碳14含量的升高。碳14是一种放射性同位素，当来自太阳的高能粒子撞击地球大气时就会产生。
考古学家利用碳14对有机器物进行年代测定，因为所有活着的生物都会吸收碳。在许多气候条件下，树木一年中仅在几个月份中生长，因此它们尤其擅长记录任何变化。于是，你可以精确地知道，在某个特定的时间，空气中碳14的含量。
三宅发现，碳14的水平在公元775年前后有一个惊人的增强。换句话说，那时出现了一场辐射风暴，而且强度极大。然而，孤证并不足信。为了确认这一发现，还需要在全世界的其他地方也进行类似的测量。
公元775年发生的事件，如果出现在今天，可能会将地球上如今的技术文明一举摧毁。图片来源：NASA
全球激变
“我们看到了三宅的论文，对在我们这里测量这一效应产生了兴趣，”芬兰奥卢大学的物理学家伊利亚·乌索斯金（Ilya Usoskin）说。他的团队测量的是曾在美因河畔生长的古老橡树。结果清晰无误。“我们精确地确认了三宅团队的结果，”他说，“无论在公元775年出现的是什么，它肯定是全球性的现象，而且应该起源自地球之外。”那么，究竟是什么呢？
三宅的团队计算了产生这一碳14水平增强所需的能量。她估算出的能量极为巨大——事实上，唯有恒星爆炸，才能提供所需的粒子洪流。问题是，在这个时间段上，没有已知距离足够靠近地球的超新星遗迹，也没有任何近距离的尘埃云可能会阻挡这一遗迹。
“它不是超新星，”乌索斯金坚定地说。相反，他和其他人把目光投向了太阳。考虑到太阳耀斑会产生极光，他转而去历史记录中寻找有关的证据。
虽然在中世纪，人们还没有对夜空进行系统观测，但人们会观察天空中具有宗教意味的迹象。乌索斯金发现了温多弗的罗杰在《盎格鲁－撒克逊编年史》中对火焰似的可怕迹象以及蛇的记述。“火焰似的可怕迹象”看上去很像是极光。虽然把蛇解释成天启的象征很牵强，但乌索斯金相信，它所指的其实是极光在天空中移动的蜿蜒路径。“任何看到过极光的人都知道，它们看上去就像蛇，”他说。
但是，太阳耀斑和三宅的能量估计之间存在没有办法调和的矛盾，后者至少大了1000倍。
然而，另一个科学家也怀疑太阳。美国堪萨斯大学的阿德里安·梅洛特（Adrian Melott）读了三宅的论文，认为有些地方可能存在问题。在计算产生地球上辐射暴所需的太阳耀斑能量时，三宅假设这些粒子是沿着各个方向以相同的流量被发射出的。事实正相反，梅洛特说，太阳喷射粒子具有很好的方向性，就像地面上的喷泉一样。
修正这一假设，可以把所需的能量减小到之前的1%。梅洛特说：“在这个能量输出值上，用太阳来解释辐射暴，可能性就大多了。”
神风彗星
任何人都不应该就此小觑它所造成的灾害。与英国天文学家理查德·卡林顿（Richard Carrington）在1859年记录下的迄今最强的太阳风暴相比，它至少要大20倍。乌索斯金说：“我们可以绝对肯定，当时发生的事件强于卡林顿耀斑。”它也要比上个世纪由以色列本·古里安大学的物理学家戴维·埃奇勒（David Eichler）观测到的太阳耀斑强100倍。
至于太阳能否产生这样的耀斑，埃奇勒认为可以，不过“必须要得到一些小小的帮助才行”。他提出，一颗彗星撞上太阳，由此导致的爆发可以提供所需的能量，驱动超级太阳耀斑。在他看来，这一爆发的能源其实来自彗星的动能。当这座由冰和岩石组成的大山撞上太阳表面时，它的运动速度可以超过每秒600千米。“是每秒，”埃奇勒强调，“不是每小时。”
一直会有彗星撞上太阳。它们被称为掠日彗星，其中一些会到达太阳的表面，但大多数在一定距离上就会发生爆炸。然而，它们实在太小了，解体释放的能量难以被察觉到。埃奇勒估计，要引发超级耀斑，需要海尔－波普大小的彗星。海尔－波普彗星于1997年回归，直径估计在40～80千米之间。
洛夫乔伊彗星（comet Lovejoy）是被实际观测到的最大掠日彗星。2011年，直径500米的它与太阳擦肩而过，距离太阳仅13.7万千米。足够远的距离和足够大的体形，使得它在烈焰中幸存了下来。不过，埃奇勒认为，在高速飞掠的过程中，它在太阳大气中产生的激波引发了一次可观测的太阳粒子爆发。
2011年的洛夫乔伊彗星，是被实际观测到的最大掠日彗星。图片来源：@贾大耗子
由于洛夫乔伊彗星的近日点飞掠发生在无法从地球上直接看到的太阳背面，埃奇勒错失了一次搜集直接证据的机会。就在这颗彗星飞掠日面的同时，科学家观测到了一次从太阳背面向外扩散的粒子爆发。对埃奇勒来说，这既难熬又沮丧。“专家说，我们不可能知道这次爆发是否由洛夫乔伊彗星引发，”但是他表示，“两者在时间上吻合得无懈可击。”
现在，他能做的只有等待。“有可能在未来的某个时候，一颗掠日彗星会引发一次高能粒子事件，给我们好好地上一课，”他在一篇论文中写道（参见arxiv.org/abs/1211.6121）。
确实，天文学家已经知道，有一颗回归的彗星将在2013年底掠过太阳。2013年12月14日，艾森彗星（Comet ISON）会深入到距离太阳表面100万千米的地方。然而，英国格拉斯哥大学研究掠日彗星生存率的约翰·布朗（John Brown）认为，我们也许是安全的。他说：“我们认为，这颗彗星不太可能引发任何事件。”
这是因为，正如掠日彗星的名字所说的那样，它们一般不会太过于靠近太阳。布朗估计，一颗彗星必须撞上太阳，才有可能引发超级耀斑。不过他也没把话说死，因为彗星十分不可预测。“一些彗星常常会瓦解得让人始料不及，”他补充说。
埃奇勒估计，大彗星撞上太阳只是一个时间问题。他说，“彗星撞击太阳的概率远高于撞击地球”，因为太阳这个目标要大得多。
其他人则认为，太阳自身完全有能力形成超级耀斑。“你需要极强的爆发才能在地球大气中产生碳14，但其实，最大的太阳事件就能做到这一点，”梅洛特说。尽管我们从未目睹，但是我们确实在其他恒星上看到了这样的行为。
在2012年发表的一篇论文中，日本京都大学的前原裕之（Hiroyuki Maehara）分析了开普勒空间望远镜120天的观测数据，发现它视场中的83000颗类太阳恒星中，有148颗产生了总共365个超级耀斑。
虽然这意味着，只有0.2%的类太阳恒星上会出现超级耀斑，但是梅洛特警告切忌大意。他说：“真正可怕的是，这些耀斑中有一些要比公元775年的事件剧烈得多。”其中一些向太空释放出的能量，据估计是中世纪耀斑的1000倍。以这样的强度，若有一个出现在太阳上，那受到威胁的将不仅仅是我们的技术。这些粒子流会破坏地球的臭氧层，使得紫外线可以长驱直入，造成晒伤和皮肤癌。梅洛特说：“它还会引发生物大规模灭绝。”
好消息是，真正巨型的超级耀斑，只出现在拥有超大黑子的恒星上。这些恒星黑子远大于我们所见的太阳黑子，它们是强磁场区，也是耀斑的源头。
无论如何，科学家目前正在研究树木年轮数据，以搜寻更多的“大事件”。三宅在公元992年发现了第2个类似的事件。虽然按照先前已知的标准算是大事件，但其强度只有公元775年耀斑的一半。乌索斯金也分析了他的数据，“在过去的10000年中，没有超过公元775年的事件”。
日冕抛射
虽然这可以让人稍稍释怀，但并不意味着可以完全放松。因为耀斑可以引发危险大得多且难以预言的事件：日冕物质抛射。在这个过程中，十亿吨级的太阳大气——主要是大量的高能粒子和磁场——会被抛入太空。
日冕物质抛射时，数十亿吨的太阳大气——主要是大量的高能粒子和磁场——会被抛入太空。图片来源：cos.gmu.edu
问题在于，没有两次日冕物质抛射是一样的。一些能量很高，但磁场较弱，对基础设施的破坏较小。另外一些则有着强磁场，但能量较低。后者才是我们需要担心的，不过很难在历史资料中发现它们，因为只有高能粒子会产生科学家搜寻的碳14。
1859年的卡林顿事件，彰显了这一点。遭受到打击的地球磁场在电报线路中诱导产生了电流，导致报务员触电失去知觉，致使电报局失火。但是，与之对应的碳14记录却毫无迹象。
相反，1956年，携带大量高能粒子的一次日冕物质抛射袭击地球，但它几乎没有造成通讯中断。1989年的一次日冕物质抛射，造成加拿大魁北克电网瘫痪，却并不是当年能量最高的日冕物质抛射。6个月之后的日冕物质抛射才是。“整件事情最终令人十分困惑，”梅洛特承认，“我们正试图从复杂的数据中推理出新的科学。”
有越多可供研究的数据，情况就会越好。例如，乌索斯金已经从树木年轮转向了“阿波罗”计划带回的月球岩石。这些岩石暴露在月面之上，会像海绵一样吸入46亿年的月球历史中太阳发出的全部高能粒子。
它们应该能让我们了解最大的太阳爆发事件的强度，而不仅仅局限于那些发生在过去2000年以内的。也许，下一次，当我们在天空中看到蛇的时候，我们会真正领悟到，和一颗恒星一起生活，究竟有多么危险。
编译自：《新科学家》，Solar superflares: A new danger from the sun