□ 喬小海

開普勒望遠鏡：超級耀斑離我們有多遠？

□ 喬小海

太陽動力學(xué)觀測臺（SD O）在2013年4月拍攝到的強度為M 6.5的太陽耀斑。圖片來源：APO D

卡林頓手繪的1859年9月1日太陽黑子圖，A和B表示初始亮度增強的位置，五分鐘后亮斑移動到C和D處，隨后消失。Richard Carrington - Page 540 of the Nov-Dec, 2007 issue of American Scientist (volume 95)

1989年太陽風(fēng)暴對地面設(shè)施造成的破壞

1859年9月1日，英國人理查德?卡林頓在使用天文望遠鏡觀測太陽黑子時，驚奇地發(fā)現(xiàn)在一個黑子群處突然有亮斑在閃耀，隨后迅速消失?？诸D向英國皇家天文學(xué)會報告了這一奇特發(fā)現(xiàn)，而皇家天文學(xué)會也收到了一位叫理查德?霍奇森的業(yè)余天文學(xué)家的獨立觀測報告，確認了事件的真實性。隨后夏威夷、加勒比海等相對靠近赤道的地區(qū)的人們驚奇地發(fā)現(xiàn)夜空中出現(xiàn)了絢麗的極光。在歐洲和北美，當(dāng)時的先進科技——電報系統(tǒng)陷入癱瘓，有報告說電報線路上打出的火花甚至引燃了電報紙。這一嚴(yán)重的空間天氣事件被稱為“卡林頓事件”，實際上源自一次非常劇烈的太陽爆發(fā)，卡林頓和霍奇森觀測到的閃耀亮斑就是太陽耀斑。

現(xiàn)代太陽物理研究表明，太陽耀斑是太陽大氣中大規(guī)模的能量釋放過程，太陽黑子是太陽上強磁場聚集的區(qū)域，黑子群形成的復(fù)雜的扭纏磁場可以存儲大量能量，當(dāng)這些能量通過磁重聯(lián)過程釋放出來時，就產(chǎn)生了太陽耀斑。觀測表明一次大的太陽耀斑釋放的能量可達1032爾格的量級，通常把能量大于1033爾格的耀斑稱為超級耀斑，卡林頓事件很可能就包含了超級耀斑。目前通常用X射線流量來衡量耀斑大小，級別從弱到強依次為A、B、C、M、X，最弱的A級耀斑流量小于10-7瓦特/平方米，最強的X級則大于10-4瓦特/平方米。目前記錄到的最強耀斑是2003年11月的X28級耀斑，卡林頓事件耀斑估計可達X40級甚至更高。當(dāng)然，耀斑的級別和其產(chǎn)生的損害并不一定成正比，耀斑常常伴隨另外一種劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象——日冕物質(zhì)拋射，大量的太陽日冕物質(zhì)會被迅速拋向日地空間，如果耀斑產(chǎn)生的高能輻射和日冕物質(zhì)拋射產(chǎn)生的高速物質(zhì)擊中地球，就會對地球的磁層、電離層乃至中高層大氣造成影響。

卡林頓事件一百多年后的今天，從人造衛(wèi)星到電網(wǎng)，從汽車導(dǎo)航到ATM取款機，科技已經(jīng)滲入現(xiàn)代社會的各個角落。1989年3月，一次X4.6級耀斑及其伴隨的日冕物質(zhì)拋射事件襲擊了地球，導(dǎo)致加拿大魁北克等地區(qū)電網(wǎng)癱瘓、大面積停電，經(jīng)濟損失約10億美元。美國國家科學(xué)基金會（NSF）2008年的報告估計，如果卡林頓事件再次發(fā)生，災(zāi)后第一年就會給美國造成達高達2萬億美元的經(jīng)濟損失。

研究表明，能量越大的耀斑發(fā)生的概率越小，像卡林頓事件這樣的超級耀斑，發(fā)生的可能性相對較低。這就使得超級耀斑研究的樣本數(shù)量受到限制，無法進行統(tǒng)計研究。即使是目前唯一的樣本卡林頓事件，因為當(dāng)時的觀測條件所限，觀測數(shù)據(jù)也不完整，很多參數(shù)只能通過估算得到。于是天文學(xué)家把目光投向了廣闊銀河系中跟我們的太陽長得相像的恒星，即類太陽恒星。2009年美國航天局（NASA）發(fā)射了一顆繞太陽運行的小型衛(wèi)星——開普勒望遠鏡，其主要目的是監(jiān)測天鵝座和天琴座附近的一塊天區(qū)，測量其中約15萬顆恒星的光度變化，從中尋找類似地球的太陽系外行星，為尋找外星生命提供參考。有趣的是，在搜尋系外行星的主任務(wù)之外，開普勒望遠鏡也觀測到了恒星耀斑造成的光度增加，就像卡林頓等人當(dāng)年看到太陽上的亮斑一樣。開普勒望遠鏡觀測到的大量的類太陽恒星樣本給超級耀斑統(tǒng)計研究帶來了希望。

京都大學(xué)柴田一成教授在國際天文學(xué)聯(lián)合會（I AU）第二十九屆大會上做報告。攝影：喬小海

2015年8月3日至14日，來自世界各地的兩千多名天文領(lǐng)域的學(xué)者和學(xué)生齊聚天文觀測圣地美國夏威夷，參加國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）第二十九屆大會。本次大會中設(shè)置了專門的研討會（IAU S320）討論“太陽和恒星的耀斑及其對行星的影響”，包括太陽及恒星耀斑的觀測現(xiàn)象、觀測儀器、物理模型、數(shù)值模擬等方面。超級耀斑也是其中的一個熱門話題，來自日本京都大學(xué)的柴田一成教授在大會上做了特邀報告，報告中介紹了近年來關(guān)于超級耀斑的一系列工作。2000年美國耶魯大學(xué)的舍費爾等人在位于主序附近的F8-G8型類太陽型恒星上發(fā)現(xiàn)了9個超級耀斑，其能量范圍從1033到1038爾格。2010年秋天，京都大學(xué)的前原裕之帶領(lǐng)五名本科一年級學(xué)生在開普勒任務(wù)的83000顆類太陽恒星數(shù)據(jù)中進行搜索，最后在其中的148顆G型矮星上發(fā)現(xiàn)了365次超級耀斑，這一工作于2012年發(fā)表在《自然》雜志上，這五名本科生也因此成了文章的合作者。他們的工作表明能量為1034爾格的超級耀斑在類太陽恒星上發(fā)生的概率約為500年一次，1035爾格量級的超級耀斑約為5000年一次，他們同時認為這樣的超級耀斑有可能發(fā)生在我們的太陽上。在2015年發(fā)表的一個工作中，前原裕之等人使用開普勒望遠鏡的1分鐘間隔數(shù)據(jù)尋找短壽命的超級耀斑，最后在23顆類太陽恒星中找到187次超級耀斑，能量范圍從1032到1036爾格，并估算出能量為1033爾格的超級耀斑（對應(yīng)于X100級耀斑）發(fā)生概率約為500~600年一次。2016年1月，英國華威大學(xué)的阿姆斯特朗等人在《皇家天文學(xué)會月報》上發(fā)表了一篇使用開普勒望遠鏡數(shù)據(jù)研究類地系外行星主星光變曲線的工作，在編號為Kepler-438的紅矮星上發(fā)現(xiàn)了超級耀斑的蹤跡，在四年的觀測數(shù)據(jù)中Kepler-438至少爆發(fā)了兩次1033爾格量級的超級耀斑，1032爾格量級的大耀斑則達到平均約200天一次。Kepler-438有一顆類地行星Kepler-438b，距離其主星0.166個天文單位，位于宜居帶中，但其主星頻繁而猛烈的爆發(fā)活動很可能使得Kepler-438b大氣層剝離，難以產(chǎn)生孕育生命的環(huán)境。

超級耀斑能釋放比普通太陽耀斑強幾千倍的能量，如果太陽爆發(fā)超級耀斑，會對在軌的人造衛(wèi)星和航天器造成毀滅性影響，航天員和飛越極區(qū)的航班乘員會受到致命計量的輻射（>4000毫西弗），地球的臭氧層會產(chǎn)生損耗，全球的無線電通訊將會中斷，電網(wǎng)癱瘓后的世界將陷入一片混亂。因此可以說，對超級耀斑的研究與人類文明息息相關(guān)。柴田一成教授在報告中播放了一段太陽耀斑的7分鐘短片，背景音樂是喜多郎的《大蛇》，大蛇是日本古書《古事記》中記載的一種有著八個頭的怪物，伴隨著音樂的節(jié)奏，明亮的耀斑在太陽上升騰變幻，可能對于古時的人類來說，自然災(zāi)害就像怪物一樣兇猛又難以琢磨。現(xiàn)代科學(xué)就是專門研究這些“怪物”的，很多大型和精密的天文望遠鏡在地面和空間每天24小時監(jiān)測著太陽，太陽物理學(xué)家可以使用計算機模擬太陽上的一些物理過程，耀斑的理論和模型越來越完善，對耀斑的預(yù)報也更加準(zhǔn)確。當(dāng)然，目前我們對超級耀斑這只“怪物”的認識還不很全面，對其在太陽上是否能夠發(fā)生以及發(fā)生的概率還只能根據(jù)其他恒星的情況進行估計，進一步的觀測、模擬和理論研究將有助于解開這一謎團。

開普勒望遠鏡示意圖。圖片來源：維基百科

超級耀斑示意圖，黑色為太陽黑子，白色部分為耀斑，出自柴田一成教授的ppt