早期太陽比現(xiàn)在更大嗎

晨風

標準模型認為在過去太陽更加“年輕”時，其亮度相比現(xiàn)在更加暗弱。那么該如何解釋地球在早期歷史上經(jīng)歷的反常高溫呢？這對于古氣象學家們來說似乎并不是一個容易回答的問題。近期有一組科學家對此提出了一種新的選項，他們認為當時的太陽要比我們之前所認為的更大，也因此更亮一些。

弱太陽佯謬

對于大多數(shù)恒星來說，隨著時間推移，其亮度會逐漸增加。這是因為隨著時間推移，其核心密度會變得越來越高，也越來越熱。假設(shè)我們的太陽同樣遵循著這一路徑，那么我們將可以反推得出結(jié)論：45億年前的太陽，其亮度要比現(xiàn)在暗大約30%。賓夕法尼亞州立大學的斯坦恩·賽格蒂森說：“這個暗弱的年輕太陽讓我們陷入兩難境地，因為這樣一來地球和火星的溫度就太低了，液態(tài)水將無法存在?！?/p>

這種情況似乎并沒有發(fā)生。地質(zhì)學紀錄顯示，早在大約44億年前就已經(jīng)存在廣闊的海洋。在火星，科學家們同樣已經(jīng)得到證據(jù)顯示，在40多億年前這里是一個遠比現(xiàn)在溫暖潮濕的星球。

這就是所謂的“弱早期太陽佯謬”。為了避免這一悖論，科學家們在過去的25年間曾經(jīng)嘗試將太陽從這一標準演化進程中移除。他們意識到，只要在太陽的初始質(zhì)量值稍稍增加一點，這個早期太陽提供的熱量便將足以確保在地球和火星上存在適宜液態(tài)水存在的溫度范圍。但是這一假設(shè)同樣存在嚴重缺陷，那就是太陽將需要處于某種原因產(chǎn)生出極其劇烈的太陽風，并將這些多余的質(zhì)量“吹走”，只留下我們今天所觀察到的“正常質(zhì)量”。

現(xiàn)在，賽格蒂森和他的同事們著手重新審視這一問題。在美國宇航局天體生物學研究院的資助下，他們將使用經(jīng)過改進的計算機模型和最新的太陽觀測數(shù)據(jù)來對不同的情況進行對比，并搜尋任何顯示太陽在過去曾經(jīng)發(fā)生過這種大幅度質(zhì)量下降事件的證據(jù)。

超級溫室效應(yīng)

不出所料的，這種更大質(zhì)量年輕太陽的假說目前并未獲得廣泛的關(guān)注。美國亞利桑那州立大學月球和行星實驗室(LPL)的瑞諾·馬爾宏特：“我認為這是一個不錯的假說，但是它尚未能獲得主流氣象學界的廣泛認可?！?馬爾宏特本人并未參與這項研究工作。

對于這一問題，目前主流的觀點是由著名的天文學家卡爾·薩根和喬治·馬倫最先提出的一種“超級溫室效應(yīng)”假說。

早在1972年，當薩根和馬倫同在康奈爾大學工作期間，他們注意到了這一佯謬，于是便開始設(shè)法嘗試解決這一問題。他們提出早期地球大氣中含有大量的氨氣，這是一種強效的溫室效應(yīng)氣體。它會捕獲大量熱量，并以此讓地球大氣升溫。然而這一理論的問題在于，后來進行的研究顯示，來自太陽的紫外線會很快就清除掉大氣中的這些氨氣成分。

現(xiàn)在大部分模型都會轉(zhuǎn)而假設(shè)早期地球大氣中富含二氧化碳，其濃度是現(xiàn)在水平的100倍。這種二氧化碳濃度將足以引發(fā)嚴重的溫室效應(yīng)。然而，這一假設(shè)并不能得到地質(zhì)學紀錄的確證，地質(zhì)學家們指出，菱鐵礦——一種主要形成于高二氧化碳含量環(huán)境的含鐵礦物，在地球最古老的地層中是缺失的。

即便有人能夠找出足夠的溫室氣體來幫助地球保持溫暖，對于火星的問題依舊將面對困境。相比地球，火星到太陽的距離要遠得多，如此一來這顆星球如果也想保證液態(tài)水可以存在的溫度，那么它將更需要強烈的多的溫室效應(yīng)。但是這一假設(shè)似乎是說不通的：要達成這樣的目標，火星將需要極其大量的二氧化碳氣體，其數(shù)量甚至多到火星上將開始出現(xiàn)二氧化碳成分的云層，而這些云層將開始反射太陽光而不是捕獲它們，最終導(dǎo)致火星降溫而不是升溫。賽格蒂森說：“對于火星來說，溫室效應(yīng)假說是行不通的。但是看起來地球化學家們還并不打算放棄?！?/p>

發(fā)生變化的太陽風

這樣的理論困境讓解決這一問題的大門對各種假設(shè)都敞開著。不過看起來這扇門并不夠?qū)挸ǎ袷且簧却白?。先前的研究已?jīng)將太陽質(zhì)量的增加幅度限制在2%~5%之間。任何小于這一數(shù)值的結(jié)果是地球?qū)o法獲得足夠的溫度維持其液態(tài)水的存在；而任何高出這一數(shù)值的情形則將導(dǎo)致太陽沿著一條完全不同的道路演化。

賽格蒂森的小組嘗試使用一種被稱作“MESA”的全新恒星演化模型進行計算。這種模型相比原先的模型更加復(fù)雜。其原始代碼是由基利物理研究所的比爾·帕克斯頓和他的同事們開發(fā)的。

除了質(zhì)量之外，研究人員們還可以調(diào)整其他一些參數(shù)，如太陽初生時的相對元素富集度，以及太陽內(nèi)部的震蕩程度。賽格蒂森說：“我們現(xiàn)在擁有比以前多得多的數(shù)據(jù)可以用來縮小模型的范圍?！逼渲凶顬榧值膯栴}在于如何引入某種劇烈太陽風吹走多余太陽質(zhì)量的機制。

假設(shè)我們現(xiàn)在觀測到的太陽風強度在整個太陽的生命周期內(nèi)都是恒定的，那么太陽的質(zhì)量損失率只能達到0.05%左右。不過大多數(shù)科學家都相信在太陽的早期階段太陽風的強度要比現(xiàn)在強得多，至于究竟強多少則仍然存在爭議。

賽格蒂森指出，為了達到維持行星適宜溫度，又不會導(dǎo)致太陽演化失衡，太陽必須在其誕生后最初的數(shù)億年內(nèi)將多余的質(zhì)量清除掉。這就意味著當時的太陽風強度必須達到現(xiàn)在水平的1000倍。

美國哈佛大學的索倫·梅波表示：“你或許會聽到人們評價說這樣的情況不太可能發(fā)生，但是我們的確需要更好的觀測數(shù)據(jù)來進一步完善我們的模型?！?/p>

天文學家已經(jīng)注意到，在宇宙中那些大質(zhì)量和小質(zhì)量的恒星上存在劇烈的星風，而質(zhì)量中等的恒星，如我們的太陽則相對平靜一些。

馬爾宏特說：“對于一個大質(zhì)量年輕太陽的假說，要想在宇宙中觀測到強有力的觀測證據(jù)非常困難。因為像這樣年輕的類太陽恒星，其早期的質(zhì)量損失發(fā)生起來是非常迅速的?！?/p>

尋找證據(jù)

如果太陽確實在其早期階段損失了很大一部分質(zhì)量，我們應(yīng)當可以在太陽系中找到一些反映這一事件的蛛絲馬跡。如一些隕石內(nèi)部似乎顯示存在一些晶格損壞，這或許是強烈太陽風作用的結(jié)果，但是究竟這種強度有多強尚無法定論。

在2007年，馬爾宏特和當時在普渡大學工作的大衛(wèi)·明頓一起，試圖對太陽系的軌道動力學特征進行考察，他們想了解這其中是否隱藏著有關(guān)早期大質(zhì)量太陽的相關(guān)線索。比如，由于太陽的質(zhì)量比現(xiàn)在大，其引力也相應(yīng)地比現(xiàn)在強，那么在其強大引力的作用下，其周圍的行星就應(yīng)當運行在比現(xiàn)在更加靠近太陽的位置。但是他們研究的結(jié)果顯示，這樣的軌道變動似乎太小了，不足以顯示出任何有用的線索。

根據(jù)馬爾宏特和明頓的觀點，要想通過軌道動力學角度考察這一理論假設(shè)，最好的切入點莫過于對那些太陽系中的不規(guī)則衛(wèi)星進行研究，木星和土星擁有大量這種衛(wèi)星，如土衛(wèi)九和木衛(wèi)六等。這些衛(wèi)星共同的特點在于：形狀不規(guī)則，軌道距離行星較遠且具有大傾角。

而賽格蒂森工作的目標是著眼于太陽本身，試圖從中找出一些有用的線索。他們希望最新的日震學探測技術(shù)可以找到一些證據(jù)，所謂日震學就是研究太陽內(nèi)部產(chǎn)生的震蕩現(xiàn)象的科學。

他說：“太陽的核心或許將為我們提供一些啟示?！?/p>