最近，國家空間科學(xué)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(duì)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(qiáng)的太陽高能粒子事件。為此《北京日?qǐng)?bào)》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(xué)家們知道，當(dāng)宇宙射線進(jìn)入地球大氣層時(shí)，它們與大氣物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生中子，中子進(jìn)一步與氮14原子核發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生碳14，會(huì)沉降在樹木、珊瑚和冰芯中。因此測(cè)量樹木、珊瑚和冰芯年輪碳14的變化可以推導(dǎo)宇宙射線的強(qiáng)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(dòng)；后者起源于太陽高能活動(dòng)——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(qiáng)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(yīng)當(dāng)排除掉，于是碳14高增長的來源可能是具有強(qiáng)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(yīng)產(chǎn)生中子，從而產(chǎn)生碳14，因此較早的研究認(rèn)為超新星是775年左右碳14高增長的一個(gè)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(duì)應(yīng)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(gè)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(huì)刺眼地亮，遠(yuǎn)比月光還亮，并且會(huì)持續(xù)數(shù)月之久，這樣奇異的現(xiàn)象歷史上不會(huì)沒有記載。同時(shí)，因?yàn)槿绱说乜拷厍?，超新星遺跡一定會(huì)仍然可見。事實(shí)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(yīng)于775年左右碳14高增長的超新星，它應(yīng)該比蟹狀星云更亮，人類不會(huì)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(qiáng)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(jì)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(yīng)當(dāng)拋棄。
但是，這個(gè)結(jié)論應(yīng)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(duì)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(gè)不可能的超強(qiáng)太陽耀斑和日冕，要么是一個(gè)起因未知的超強(qiáng)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(jì)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(jì)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(qiáng)粒子發(fā)射的普通強(qiáng)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(qiáng)太陽粒子事件。公元775年左右的太陽爆發(fā)事件，應(yīng)該是過去11400年中最強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(chǎng)的作用，高能粒子繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)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(huì)引發(fā)強(qiáng)度那么大、持續(xù)時(shí)間那么久的極光。至于其中的科學(xué)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(xì)解釋了。
歷史上的強(qiáng)極光事件可能記錄在各種歷史文獻(xiàn)中。早在公元前數(shù)千年，中國就開始觀測(cè)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(xì)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(jí)極光的消散時(shí)間是在三更之后，即半夜1至2點(diǎn)之后。
《舊唐書》借助中國星宿圖，準(zhǔn)確生動(dòng)地記錄了這次強(qiáng)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(dāng)部分。極光最可能是從晚上5至6點(diǎn)左右持續(xù)到半夜1至2點(diǎn)以后，持續(xù)時(shí)間約為8小時(shí)。因?yàn)椴煌芰坎煌较虻奶柫Ｗ有枰煌臅r(shí)間才能到達(dá)地球，它們的產(chǎn)生時(shí)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(qiáng)太陽粒子事件，這一事件引起了全球碳14高增長和強(qiáng)極光。因此，11400年以來最強(qiáng)超級(jí)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(huì)危及航天員生命
太陽粒子事件中質(zhì)子占主要地位，相應(yīng)于775年的太陽質(zhì)子輻射計(jì)算結(jié)果顯示，近地空間飛船內(nèi)部的輻射風(fēng)險(xiǎn)為50%到100%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國宇航局推薦的3%的終生輻射風(fēng)險(xiǎn)限值，輻射是致命的。
所幸的是，當(dāng)時(shí)人類還沒有技術(shù)可以破壞，在地球大氣層的保護(hù)下，775年太陽粒子事件引起的地面輻射風(fēng)險(xiǎn)小于1%，人類得以幸存。
但要是發(fā)生在今天，人類就不會(huì)這么幸運(yùn)了。除了航天員的輻射風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)太陽粒子事件還可能對(duì)地面和空間微電子學(xué)和光電子學(xué)器件、通訊設(shè)施以及電力網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，如1859年的卡林頓強(qiáng)太陽粒子事件，幾乎使北半球的電報(bào)系統(tǒng)完全癱瘓，因此強(qiáng)太陽粒子事件的輻射防護(hù)和預(yù)報(bào)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(qiáng)太陽粒子事件。為此我們將廣泛調(diào)研中外強(qiáng)極光歷史資料，測(cè)量分析古樹和珊瑚年輪碳14的變化，計(jì)算太陽高能粒子的強(qiáng)度和輻射，建立數(shù)據(jù)庫，研究數(shù)學(xué)物理模型，尋找歷史上強(qiáng)太陽高能活動(dòng)和粒子輻射規(guī)律，幫助實(shí)現(xiàn)空間天氣和太陽粒子輻射預(yù)報(bào)。
大風(fēng)藍(lán)色預(yù)警