最近,國家空間科學中心特聘研究員周大莊等科研人員,通過分析碳14顯著增長事件和對我國史料記載的研究發(fā)現(xiàn),在公元775年,發(fā)生了迄今已知最強的太陽高能粒子事件。為此《北京日報》特約周大莊研究員就相關(guān)問題向讀者作科普介紹。
古樹碳14增長來歷不明
2012年,日本麥亞克研究組發(fā)現(xiàn),日本雪松樹年輪在774—775年間的放射性碳14有千分之十二的高增長;歐洲烏叟斯肯等研究組發(fā)現(xiàn),歐洲橡樹年輪的放射性碳14具有同樣的增長。中國研究者也發(fā)現(xiàn),南中國海珊瑚在773—775年有相似的放射性碳14快速增長。這些結(jié)果表明,775年左右碳14的增長是全球性的現(xiàn)象。
科學家們知道,當宇宙射線進入地球大氣層時,它們與大氣物質(zhì)發(fā)生反應產(chǎn)生中子,中子進一步與氮14原子核發(fā)生反應產(chǎn)生碳14,會沉降在樹木、珊瑚和冰芯中。因此測量樹木、珊瑚和冰芯年輪碳14的變化可以推導宇宙射線的強度變化。
而宇宙射線可以分為銀河宇宙射線和太陽宇宙射線兩種。前者起源于超新星、脈沖星和其他高能天體活動;后者起源于太陽高能活動——耀斑和日冕物質(zhì)拋射。地球環(huán)境中,在非超高能范圍內(nèi)太陽宇宙射線的強度高于銀河宇宙射線。
那么,775年左右的碳14增長到底是來自何方的力量造成的?
超新星爆發(fā)可能性很低
研究表明,銀河宇宙射線的正常變化幅度低,不可能誘發(fā)碳14的高增長,因而應當排除掉,于是碳14高增長的來源可能是具有強粒子發(fā)射的太陽粒子事件,和伴有伽馬射線發(fā)射的超新星爆發(fā)。
超新星伽馬射線可通過光核反應產(chǎn)生中子,從而產(chǎn)生碳14,因此較早的研究認為超新星是775年左右碳14高增長的一個可能起源。但是研究人員并沒有在著名超新星事件SN1006和SN1054對應年代找到碳14增長。據(jù)估算,如果775年左右的碳14增長起源于超新星伽馬射線,則這個超新星的能量將是普通超新星能量的100倍,這樣的事件極難發(fā)生。
另一方面,研究人員發(fā)現(xiàn),為了產(chǎn)生類似775年左右的碳14增長,超新星必須距地球約一百光年,這樣的事件定會刺眼地亮,遠比月光還亮,并且會持續(xù)數(shù)月之久,這樣奇異的現(xiàn)象歷史上不會沒有記載。同時,因為如此地靠近地球,超新星遺跡一定會仍然可見。事實上,蟹狀星云是天空中最亮的超新星遺跡,如果地球附近有相應于775年左右碳14高增長的超新星,它應該比蟹狀星云更亮,人類不會看不到。
根據(jù)以上分析,必須排除775年左右碳14高增長的超新星起因。
太陽粒子來源的不同意見
這樣看來,具有強粒子發(fā)射的太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射,最有可能是775年左右碳14高增長的起因。
但是據(jù)日本麥亞克等人計算,775年左右的碳14產(chǎn)生率是每平方厘米6乘10的8次方原子。為了匹配這一高生成率,太陽粒子的通量必須很高。因此他們得出結(jié)論:775年左右碳14的增長太快,以至于不能由正常太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射引起,所以太陽粒子起源的可能性很低,應當拋棄。
但是,這個結(jié)論應該是不正確的。原因是他們所使用的碳循環(huán)模式忽略了深海——最大的含有92%到95%全部碳的容器,大大地高估了對流層背景碳14濃度。其結(jié)果要么是發(fā)生在775年左右的一個不可能的超強太陽耀斑和日冕,要么是一個起因未知的超強銀河宇宙線事件。
與麥亞克等人不同,烏叟斯肯等人使用了不同的碳循環(huán)模式來計算碳14生成率,得到的結(jié)果是每平方厘米1.3乘10的8次方原子,大約比麥亞克的計算值低5倍左右。這一較低的碳14生成率,能夠合理地與具有強粒子發(fā)射的普通強太陽粒子事件相聯(lián)系。
基于烏叟斯肯小組的研究,如果與碳14高增長相關(guān)的事件是太陽粒子事件,那么那一次太陽爆發(fā)的能量,大約2倍于1859年的卡林頓太陽粒子事件——過去155年中有記載的最強太陽粒子事件。公元775年左右的太陽爆發(fā)事件,應該是過去11400年中最強的太陽爆發(fā)事件。
《舊唐書》中記載成關(guān)鍵證據(jù)
關(guān)鍵的一環(huán)在于,強太陽粒子事件不但產(chǎn)生碳14的高增長,它們也能通過大氣原子分子的電離,激發(fā)和退激發(fā)產(chǎn)生強極光。極光是磁緯較高地區(qū)上空大氣的彩色發(fā)光現(xiàn)象,由于地磁場的作用,高能粒子繞磁力線做螺旋運動向磁極區(qū)域漂移,所以極光常見于高磁緯地區(qū)。而如果是超新星爆發(fā),則不會引發(fā)強度那么大、持續(xù)時間那么久的極光。至于其中的科學原理是什么,由于涉及過于專業(yè)的內(nèi)容,我們就不在這里詳細解釋了。
歷史上的強極光事件可能記錄在各種歷史文獻中。早在公元前數(shù)千年,中國就開始觀測極光,因而有著豐富的極光記錄。而775年左右的太陽爆發(fā)事件,正是在《舊唐書》中找到了關(guān)鍵的證據(jù)。下面介紹的就是舊唐書中的詳細記載。
唐朝大歷十年“十二月丙子夜”(即中國農(nóng)歷774年12月11日夜,或公元775年1月17日夜),“東方月上有白氣十余道,如匹帛,貫五車、東井、輿鬼、觜、參、畢、柳、軒轅,三更后方散”。其中“東方月上”指極光大致方位高度;“白氣”指極光,是各種不同顏色的綜合效果;“匹帛”是展開的絲綢,說明極光呈現(xiàn)的是帶狀形態(tài);“貫”是貫穿覆蓋,表示極光的產(chǎn)生區(qū)域;“貫五車、東井、輿鬼、觜、參、畢、柳、軒轅”,說的都是極光在二十八星宿中的星宿方位;“三更后方散”,給出這一超級極光的消散時間是在三更之后,即半夜1至2點之后。
《舊唐書》借助中國星宿圖,準確生動地記錄了這次強極光。將星宿圖上的極光投影到地面可知,極光發(fā)生的區(qū)域跨越東西南北,覆蓋了北半球的相當部分。極光最可能是從晚上5至6點左右持續(xù)到半夜1至2點以后,持續(xù)時間約為8小時。因為不同能量不同方向的太陽粒子需要不同的時間才能到達地球,它們的產(chǎn)生時間最可能是775年1月14至16日。
基于以上分析討論可斷定:公元775年左右發(fā)生了超強太陽粒子事件,這一事件引起了全球碳14高增長和強極光。因此,11400年以來最強超級太陽粒子事件被首次發(fā)現(xiàn)鑒定。
延伸閱讀:
假如發(fā)生在今天將會危及航天員生命
太陽粒子事件中質(zhì)子占主要地位,相應于775年的太陽質(zhì)子輻射計算結(jié)果顯示,近地空間飛船內(nèi)部的輻射風險為50%到100%,遠遠超過美國宇航局推薦的3%的終生輻射風險限值,輻射是致命的。
所幸的是,當時人類還沒有技術(shù)可以破壞,在地球大氣層的保護下,775年太陽粒子事件引起的地面輻射風險小于1%,人類得以幸存。
但要是發(fā)生在今天,人類就不會這么幸運了。除了航天員的輻射風險,強太陽粒子事件還可能對地面和空間微電子學和光電子學器件、通訊設(shè)施以及電力網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生嚴重破壞,如1859年的卡林頓強太陽粒子事件,幾乎使北半球的電報系統(tǒng)完全癱瘓,因此強太陽粒子事件的輻射防護和預報研究極為重要。
從775年太陽爆發(fā)事件研究中我們得到啟發(fā),必須尋找鑒定更多的歷史強太陽粒子事件。為此我們將廣泛調(diào)研中外強極光歷史資料,測量分析古樹和珊瑚年輪碳14的變化,計算太陽高能粒子的強度和輻射,建立數(shù)據(jù)庫,研究數(shù)學物理模型,尋找歷史上強太陽高能活動和粒子輻射規(guī)律,幫助實現(xiàn)空間天氣和太陽粒子輻射預報。