太阳超级耀斑出人意料地频繁出现

艺术家对可见光下出现的类太阳恒星超级耀斑的印象。图片来源：MPS/Alexey Chizhik

太阳是一颗不稳定的恒星，今年异常强烈的太阳风暴就证明了这一点，即使在低纬度地区也产生了令人惊叹的极光。但我们的恒星会变得更加极端吗？关于最剧烈的太阳爆发的线索保存在数千年前的古老树木年轮和冰川冰中。然而，这些自然记录只提供了间接证据，很难确定此类事件发生的频率。自太空时代开始，人们才有可能直接测量太阳辐射。

为了更好地了解太阳的长期行为，科学家们将目光转向了恒星。现代太空望远镜监测着数千颗恒星，追踪它们亮度随时间的变化。超级耀斑在短时间内释放出超过一千万亿焦耳的能量，在这些观测中表现为尖峰。

“我们无法在数千年内观察太阳，”MPS 主任兼合著者 Sami Solanki 教授解释了这项调查背后的基本思想。“然而，我们可以在短时间内监测数千颗与太阳非常相似的恒星的行为。这有助于我们估计超级耀斑发生的频率，”他补充道。

在目前的研究中，包括来自格拉茨大学（奥地利）、奥卢大学（芬兰）、日本国家天文台、科罗拉多大学博尔德分校（美国）以及巴黎-萨克雷原子能与替代能源委员会和巴黎西岱大学的研究人员在内的团队分析了 2009 年至 2013 年间美国宇航局开普勒太空望远镜观测到的 56450 颗类太阳恒星的数据。“开普勒数据为我们提供了 22 万年恒星活动的证据，”格拉茨大学的亚历山大·夏皮罗教授说。

这项研究的关键是仔细选择要考虑的恒星。毕竟，所选恒星应该是太阳特别接近的“近亲”。因此，科学家们只接受表面温度和亮度与太阳相似的恒星。研究人员还排除了许多误差源，例如宇宙辐射、经过的小行星或彗星，以及开普勒图像中可能偶然在类似太阳的恒星附近爆发的非太阳类恒星。为此，该团队仔细分析了每张潜在超级耀斑的图像（只有几个像素大小），并且只计算了那些可以可靠地归因于所选恒星之一的事件。

通过这种方式，研究人员在 56450 颗观测恒星中的 2527 颗上发现了 2889 次超级耀斑。这意味着平均而言，一颗类似太阳的恒星大约每百年产生一次超级耀斑。

“这些类似太阳的恒星的高性能发电机计算很容易解释这种超级耀斑期间强烈能量释放的磁源，”巴黎-萨克雷原子能和替代能源委员会和巴黎西岱大学的合著者 Allan Sacha Brun 博士说。

出人意料的频繁

“我们非常惊讶，类似太阳的恒星如此频繁地发生超级耀斑，”第一作者、MPS 的 Valeriy Vasilyev 博士说。其他研究小组此前的调查发现，超级耀斑的平均间隔为一千年甚至一万年。然而，早期的研究无法确定观测到的耀斑的确切来源，因此不得不将研究范围限制在望远镜图像中没有太近邻居的恒星上。目前的研究是迄今为止最精确、最敏感的。

寻找猛烈太阳风暴影响地球的证据的研究也表明，极端太阳事件之间的平均时间间隔更长。当来自太阳的高能粒子流特别高时，它们会产生可检测到的放射性原子，如放射性碳同位素 14C。这些原子随后沉积在树木年轮和冰川冰等自然档案中。因此，即使几千年后，也可以通过使用现代技术测量 14C 的量来推断出高能太阳粒子的突然涌入。

通过这种方式，研究人员能够在全新世过去一万两千年内确定五次极端太阳粒子事件和三次候选事件，平均发生率为每 1500 年一次。据信最剧烈的一次发生在公元 775 年。然而，过去很可能发生过更多这样的剧烈粒子事件和超级耀斑。“目前还不清楚巨大的耀斑是否总是伴随着日冕物质抛射，以及超级耀斑和极端太阳粒子事件之间的关系是什么。这需要进一步研究，”芬兰奥卢大学的共同作者 Ilya Usoskin 教授指出。因此，查看过去极端太阳事件的陆地证据可能会低估超级耀斑的频率。

预测危险的太空天气

这项新研究并未揭示太阳何时会再次爆发。然而，研究结果敦促人们谨慎行事。“新数据清楚地提醒我们，即使是最极端的太阳事件也是太阳自然活动的一部分，”共同作者、MPS 的 Natalie Krivova 博士说。1859 年的卡灵顿事件是过去 200 年来最猛烈的太阳风暴之一，在此期间，北欧和北美大部分地区的电报网络崩溃。据估计，相关耀斑释放的能量仅为超级耀斑的百分之一。如今，除了地球表面的基础设施外，卫星也将面临风险。

因此，应对强烈太阳风暴最重要的准备就是可靠和及时的预报。例如，作为预防措施，可以关闭卫星。从 2031 年开始，ESA 的太空探测器 Vigil 将为预测工作提供帮助。从太空中的观测位置，它将从侧面观察太阳，并比地球探测器更早地发现可能导致危险太空天气的过程正在我们的星球上酝酿。 MPS 目前正在为这次任务开发偏振和磁成像仪。

编译自/scitechdaily