开普勒望远镜：超级耀斑离我们有多远？

2016-10-15乔小海

天文爱好者 2016年2期

□ 乔小海

开普勒望远镜：超级耀斑离我们有多远？

□ 乔小海

太阳动力学观测台（SD O）在2013年4月拍摄到的强度为M 6.5的太阳耀斑。图片来源：APO D

卡林顿手绘的1859年9月1日太阳黑子图，A和B表示初始亮度增强的位置，五分钟后亮斑移动到C和D处，随后消失。Richard Carrington - Page 540 of the Nov-Dec, 2007 issue of American Scientist (volume 95)

1989年太阳风暴对地面设施造成的破坏

1859年9月1日，英国人理查德•卡林顿在使用天文望远镜观测太阳黑子时，惊奇地发现在一个黑子群处突然有亮斑在闪耀，随后迅速消失。卡林顿向英国皇家天文学会报告了这一奇特发现，而皇家天文学会也收到了一位叫理查德•霍奇森的业余天文学家的独立观测报告，确认了事件的真实性。随后夏威夷、加勒比海等相对靠近赤道的地区的人们惊奇地发现夜空中出现了绚丽的极光。在欧洲和北美，当时的先进科技——电报系统陷入瘫痪，有报告说电报线路上打出的火花甚至引燃了电报纸。这一严重的空间天气事件被称为“卡林顿事件”，实际上源自一次非常剧烈的太阳爆发，卡林顿和霍奇森观测到的闪耀亮斑就是太阳耀斑。

现代太阳物理研究表明，太阳耀斑是太阳大气中大规模的能量释放过程，太阳黑子是太阳上强磁场聚集的区域，黑子群形成的复杂的扭缠磁场可以存储大量能量，当这些能量通过磁重联过程释放出来时，就产生了太阳耀斑。观测表明一次大的太阳耀斑释放的能量可达1032尔格的量级，通常把能量大于1033尔格的耀斑称为超级耀斑，卡林顿事件很可能就包含了超级耀斑。目前通常用X射线流量来衡量耀斑大小，级别从弱到强依次为A、B、C、M、X，最弱的A级耀斑流量小于10-7瓦特/平方米，最强的X级则大于10-4瓦特/平方米。目前记录到的最强耀斑是2003年11月的X28级耀斑，卡林顿事件耀斑估计可达X40级甚至更高。当然，耀斑的级别和其产生的损害并不一定成正比，耀斑常常伴随另外一种剧烈的爆发现象——日冕物质抛射，大量的太阳日冕物质会被迅速抛向日地空间，如果耀斑产生的高能辐射和日冕物质抛射产生的高速物质击中地球，就会对地球的磁层、电离层乃至中高层大气造成影响。

卡林顿事件一百多年后的今天，从人造卫星到电网，从汽车导航到ATM取款机，科技已经渗入现代社会的各个角落。1989年3月，一次X4.6级耀斑及其伴随的日冕物质抛射事件袭击了地球，导致加拿大魁北克等地区电网瘫痪、大面积停电，经济损失约10亿美元。美国国家科学基金会（NSF）2008年的报告估计，如果卡林顿事件再次发生，灾后第一年就会给美国造成达高达2万亿美元的经济损失。

研究表明，能量越大的耀斑发生的概率越小，像卡林顿事件这样的超级耀斑，发生的可能性相对较低。这就使得超级耀斑研究的样本数量受到限制，无法进行统计研究。即使是目前唯一的样本卡林顿事件，因为当时的观测条件所限，观测数据也不完整，很多参数只能通过估算得到。于是天文学家把目光投向了广阔银河系中跟我们的太阳长得相像的恒星，即类太阳恒星。2009年美国航天局（NASA）发射了一颗绕太阳运行的小型卫星——开普勒望远镜，其主要目的是监测天鹅座和天琴座附近的一块天区，测量其中约15万颗恒星的光度变化，从中寻找类似地球的太阳系外行星，为寻找外星生命提供参考。有趣的是，在搜寻系外行星的主任务之外，开普勒望远镜也观测到了恒星耀斑造成的光度增加，就像卡林顿等人当年看到太阳上的亮斑一样。开普勒望远镜观测到的大量的类太阳恒星样本给超级耀斑统计研究带来了希望。

京都大学柴田一成教授在国际天文学联合会（I AU）第二十九届大会上做报告。摄影：乔小海

2015年8月3日至14日，来自世界各地的两千多名天文领域的学者和学生齐聚天文观测圣地美国夏威夷，参加国际天文学联合会（IAU）第二十九届大会。本次大会中设置了专门的研讨会（IAU S320）讨论“太阳和恒星的耀斑及其对行星的影响”，包括太阳及恒星耀斑的观测现象、观测仪器、物理模型、数值模拟等方面。超级耀斑也是其中的一个热门话题，来自日本京都大学的柴田一成教授在大会上做了特邀报告，报告中介绍了近年来关于超级耀斑的一系列工作。2000年美国耶鲁大学的舍费尔等人在位于主序附近的F8-G8型类太阳型恒星上发现了9个超级耀斑，其能量范围从1033到1038尔格。2010年秋天，京都大学的前原裕之带领五名本科一年级学生在开普勒任务的83000颗类太阳恒星数据中进行搜索，最后在其中的148颗G型矮星上发现了365次超级耀斑，这一工作于2012年发表在《自然》杂志上，这五名本科生也因此成了文章的合作者。他们的工作表明能量为1034尔格的超级耀斑在类太阳恒星上发生的概率约为500年一次，1035尔格量级的超级耀斑约为5000年一次，他们同时认为这样的超级耀斑有可能发生在我们的太阳上。在2015年发表的一个工作中，前原裕之等人使用开普勒望远镜的1分钟间隔数据寻找短寿命的超级耀斑，最后在23颗类太阳恒星中找到187次超级耀斑，能量范围从1032到1036尔格，并估算出能量为1033尔格的超级耀斑（对应于X100级耀斑）发生概率约为500~600年一次。2016年1月，英国华威大学的阿姆斯特朗等人在《皇家天文学会月报》上发表了一篇使用开普勒望远镜数据研究类地系外行星主星光变曲线的工作，在编号为Kepler-438的红矮星上发现了超级耀斑的踪迹，在四年的观测数据中Kepler-438至少爆发了两次1033尔格量级的超级耀斑，1032尔格量级的大耀斑则达到平均约200天一次。Kepler-438有一颗类地行星Kepler-438b，距离其主星0.166个天文单位，位于宜居带中，但其主星频繁而猛烈的爆发活动很可能使得Kepler-438b大气层剥离，难以产生孕育生命的环境。

超级耀斑能释放比普通太阳耀斑强几千倍的能量，如果太阳爆发超级耀斑，会对在轨的人造卫星和航天器造成毁灭性影响，航天员和飞越极区的航班乘员会受到致命计量的辐射（>4000毫西弗），地球的臭氧层会产生损耗，全球的无线电通讯将会中断，电网瘫痪后的世界将陷入一片混乱。因此可以说，对超级耀斑的研究与人类文明息息相关。柴田一成教授在报告中播放了一段太阳耀斑的7分钟短片，背景音乐是喜多郎的《大蛇》，大蛇是日本古书《古事记》中记载的一种有着八个头的怪物，伴随着音乐的节奏，明亮的耀斑在太阳上升腾变幻，可能对于古时的人类来说，自然灾害就像怪物一样凶猛又难以琢磨。现代科学就是专门研究这些“怪物”的，很多大型和精密的天文望远镜在地面和空间每天24小时监测着太阳，太阳物理学家可以使用计算机模拟太阳上的一些物理过程，耀斑的理论和模型越来越完善，对耀斑的预报也更加准确。当然，目前我们对超级耀斑这只“怪物”的认识还不很全面，对其在太阳上是否能够发生以及发生的概率还只能根据其他恒星的情况进行估计，进一步的观测、模拟和理论研究将有助于解开这一谜团。