開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡：超級(jí)耀斑離我們有多遠(yuǎn)？

□ 喬小海

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡：超級(jí)耀斑離我們有多遠(yuǎn)？

□ 喬小海

太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)（SD O）在2013年4月拍攝到的強(qiáng)度為M 6.5的太陽(yáng)耀斑。圖片來(lái)源：APO D

卡林頓手繪的1859年9月1日太陽(yáng)黑子圖，A和B表示初始亮度增強(qiáng)的位置，五分鐘后亮斑移動(dòng)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(yáng)風(fēng)暴對(duì)地面設(shè)施造成的破壞

1859年9月1日，英國(guó)人理查德?卡林頓在使用天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)黑子時(shí)，驚奇地發(fā)現(xiàn)在一個(gè)黑子群處突然有亮斑在閃耀，隨后迅速消失?？诸D向英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)報(bào)告了這一奇特發(fā)現(xiàn)，而皇家天文學(xué)會(huì)也收到了一位叫理查德?霍奇森的業(yè)余天文學(xué)家的獨(dú)立觀測(cè)報(bào)告，確認(rèn)了事件的真實(shí)性。隨后夏威夷、加勒比海等相對(duì)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(shí)的先進(jìn)科技——電報(bào)系統(tǒng)陷入癱瘓，有報(bào)告說(shuō)電報(bào)線路上打出的火花甚至引燃了電報(bào)紙。這一嚴(yán)重的空間天氣事件被稱為“卡林頓事件”，實(shí)際上源自一次非常劇烈的太陽(yáng)爆發(fā)，卡林頓和霍奇森觀測(cè)到的閃耀亮斑就是太陽(yáng)耀斑。

現(xiàn)代太陽(yáng)物理研究表明，太陽(yáng)耀斑是太陽(yáng)大氣中大規(guī)模的能量釋放過(guò)程，太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)上強(qiáng)磁場(chǎng)聚集的區(qū)域，黑子群形成的復(fù)雜的扭纏磁場(chǎng)可以存儲(chǔ)大量能量，當(dāng)這些能量通過(guò)磁重聯(lián)過(guò)程釋放出來(lái)時(shí)，就產(chǎn)生了太陽(yáng)耀斑。觀測(cè)表明一次大的太陽(yáng)耀斑釋放的能量可達(dá)1032爾格的量級(jí)，通常把能量大于1033爾格的耀斑稱為超級(jí)耀斑，卡林頓事件很可能就包含了超級(jí)耀斑。目前通常用X射線流量來(lái)衡量耀斑大小，級(jí)別從弱到強(qiáng)依次為A、B、C、M、X，最弱的A級(jí)耀斑流量小于10-7瓦特/平方米，最強(qiáng)的X級(jí)則大于10-4瓦特/平方米。目前記錄到的最強(qiáng)耀斑是2003年11月的X28級(jí)耀斑，卡林頓事件耀斑估計(jì)可達(dá)X40級(jí)甚至更高。當(dāng)然，耀斑的級(jí)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(yáng)日冕物質(zhì)會(huì)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(huì)對(duì)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(chē)導(dǎo)航到ATM取款機(jī)，科技已經(jīng)滲入現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)角落。1989年3月，一次X4.6級(jí)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(jì)損失約10億美元。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）2008年的報(bào)告估計(jì)，如果卡林頓事件再次發(fā)生，災(zāi)后第一年就會(huì)給美國(guó)造成達(dá)高達(dá)2萬(wàn)億美元的經(jīng)濟(jì)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(jí)耀斑，發(fā)生的可能性相對(duì)較低。這就使得超級(jí)耀斑研究的樣本數(shù)量受到限制，無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。即使是目前唯一的樣本卡林頓事件，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的觀測(cè)條件所限，觀測(cè)數(shù)據(jù)也不完整，很多參數(shù)只能通過(guò)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(yáng)長(zhǎng)得相像的恒星，即類太陽(yáng)恒星。2009年美國(guó)航天局（NASA）發(fā)射了一顆繞太陽(yáng)運(yùn)行的小型衛(wèi)星——開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡，其主要目的是監(jiān)測(cè)天鵝座和天琴座附近的一塊天區(qū)，測(cè)量其中約15萬(wàn)顆恒星的光度變化，從中尋找類似地球的太陽(yáng)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(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡也觀測(cè)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(yáng)上的亮斑一樣。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的大量的類太陽(yáng)恒星樣本給超級(jí)耀斑統(tǒng)計(jì)研究帶來(lái)了希望。

京都大學(xué)柴田一成教授在國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（I AU）第二十九屆大會(huì)上做報(bào)告。攝影：?jiǎn)绦『?/p>

2015年8月3日至14日，來(lái)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(cè)圣地美國(guó)夏威夷，參加國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）第二十九屆大會(huì)。本次大會(huì)中設(shè)置了專門(mén)的研討會(huì)（IAU S320）討論“太陽(yáng)和恒星的耀斑及其對(duì)行星的影響”，包括太陽(yáng)及恒星耀斑的觀測(cè)現(xiàn)象、觀測(cè)儀器、物理模型、數(shù)值模擬等方面。超級(jí)耀斑也是其中的一個(gè)熱門(mén)話題，來(lái)自日本京都大學(xué)的柴田一成教授在大會(huì)上做了特邀報(bào)告，報(bào)告中介紹了近年來(lái)關(guān)于超級(jí)耀斑的一系列工作。2000年美國(guó)耶魯大學(xué)的舍費(fèi)爾等人在位于主序附近的F8-G8型類太陽(yáng)型恒星上發(fā)現(xiàn)了9個(gè)超級(jí)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(jí)學(xué)生在開(kāi)普勒任務(wù)的83000顆類太陽(yáng)恒星數(shù)據(jù)中進(jìn)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(jí)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(jí)耀斑在類太陽(yáng)恒星上發(fā)生的概率約為500年一次，1035爾格量級(jí)的超級(jí)耀斑約為5000年一次，他們同時(shí)認(rèn)為這樣的超級(jí)耀斑有可能發(fā)生在我們的太陽(yáng)上。在2015年發(fā)表的一個(gè)工作中，前原裕之等人使用開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的1分鐘間隔數(shù)據(jù)尋找短壽命的超級(jí)耀斑，最后在23顆類太陽(yáng)恒星中找到187次超級(jí)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(jí)耀斑（對(duì)應(yīng)于X100級(jí)耀斑）發(fā)生概率約為500~600年一次。2016年1月，英國(guó)華威大學(xué)的阿姆斯特朗等人在《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》上發(fā)表了一篇使用開(kāi)普勒望遠(yuǎn)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(hào)為Kepler-438的紅矮星上發(fā)現(xiàn)了超級(jí)耀斑的蹤跡，在四年的觀測(cè)數(shù)據(jù)中Kepler-438至少爆發(fā)了兩次1033爾格量級(jí)的超級(jí)耀斑，1032爾格量級(jí)的大耀斑則達(dá)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(gè)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(dòng)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(jí)耀斑能釋放比普通太陽(yáng)耀斑強(qiáng)幾千倍的能量，如果太陽(yáng)爆發(fā)超級(jí)耀斑，會(huì)對(duì)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(huì)受到致命計(jì)量的輻射（>4000毫西弗），地球的臭氧層會(huì)產(chǎn)生損耗，全球的無(wú)線電通訊將會(huì)中斷，電網(wǎng)癱瘓后的世界將陷入一片混亂。因此可以說(shuō)，對(duì)超級(jí)耀斑的研究與人類文明息息相關(guān)。柴田一成教授在報(bào)告中播放了一段太陽(yáng)耀斑的7分鐘短片，背景音樂(lè)是喜多郎的《大蛇》，大蛇是日本古書(shū)《古事記》中記載的一種有著八個(gè)頭的怪物，伴隨著音樂(lè)的節(jié)奏，明亮的耀斑在太陽(yáng)上升騰變幻，可能對(duì)于古時(shí)的人類來(lái)說(shuō)，自然災(zāi)害就像怪物一樣兇猛又難以琢磨?，F(xiàn)代科學(xué)就是專門(mén)研究這些“怪物”的，很多大型和精密的天文望遠(yuǎn)鏡在地面和空間每天24小時(shí)監(jiān)測(cè)著太陽(yáng)，太陽(yáng)物理學(xué)家可以使用計(jì)算機(jī)模擬太陽(yáng)上的一些物理過(guò)程，耀斑的理論和模型越來(lái)越完善，對(duì)耀斑的預(yù)報(bào)也更加準(zhǔn)確。當(dāng)然，目前我們對(duì)超級(jí)耀斑這只“怪物”的認(rèn)識(shí)還不很全面，對(duì)其在太陽(yáng)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(jìn)行估計(jì)，進(jìn)一步的觀測(cè)、模擬和理論研究將有助于解開(kāi)這一謎團(tuán)。

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡示意圖。圖片來(lái)源：維基百科

超級(jí)耀斑示意圖，黑色為太陽(yáng)黑子，白色部分為耀斑，出自柴田一成教授的ppt