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文章标题:中国首证775年最强太阳爆发旧唐书成关键证据

发布时间: 2019-10-04

  一门中特,据中国科学院网站报道,国家空间科学中心特聘研究员周大庄等科研人员,通过分析碳14显著增长事件和对我国史料记载的研究发现,在公元775年,发生了迄今已知最强的太阳高能粒子事件。本版特约主要研究者就相关问题向读者作科普介绍。

  2012年,日本麦亚克研究组发现,日本雪松树年轮在774—775年间的放射性碳14有千分之十二的高增长;欧洲乌叟斯肯等研究组发现,欧洲橡树年轮的放射性碳14具有同样的增长。中国研究者也发现,南中国海珊瑚在773—775年有相似的放射性碳14快速增长。这些结果表明,775年左右碳14的增长是全球性的现象。

  科学家们知道,当宇宙射线进入地球大气层时,它们与大气物质发生反应产生中子,中子进一步与氮14原子核发生反应产生碳14,会沉降在树木、珊瑚和冰芯中。因此测量树木、珊瑚和冰芯年轮碳14的变化可以推导宇宙射线的强度变化。

  而宇宙射线可以分为银河宇宙射线和太阳宇宙射线两种。前者起源于超新星、脉冲星和其他高能天体活动;后者起源于太阳高能活动——耀斑和日冕物质抛射。地球环境中,在非超高能范围内太阳宇宙射线的强度高于银河宇宙射线增长到底是来自何方的力量造成的?

  研究表明,银河宇宙射线的正常变化幅度低,不可能诱发碳14的高增长,因而应当排除掉,于是碳14高增长的来源可能是具有强粒子发射的太阳粒子事件,和伴有伽马射线发射的超新星爆发。

  超新星伽马射线可通过光核反应产生中子,从而产生碳14,因此较早的研究认为超新星是775年左右碳14高增长的一个可能起源。但是研究人员并没有在著名超新星事件SN1006和SN1054对应年代找到碳14增长。据估算,如果775年左右的碳14增长起源于超新星伽马射线,则这个超新星的能量将是普通超新星能量的100倍,这样的事件极难发生。

  另一方面,研究人员发现,为了产生类似775年左右的碳14增长,超新星必须距地球约一百光年,这样的事件定会刺眼地亮,远比月光还亮,并且会持续数月之久,这样奇异的现象历史上不会没有记载。同时,因为如此地靠近地球,超新星遗迹一定会仍然可见。事实上,蟹状星云是天空中最亮的超新星遗迹,如果地球附近有相应于775年左右碳14高增长的超新星,它应该比蟹状星云更亮,人类不会看不到。

  这样看来,具有强粒子发射的太阳耀斑和日冕物质抛射,最有可能是775年左右碳14高增长的起因。

  但是据日本麦亚克等人计算,775年左右的碳14产生率是每平方厘米6乘10的8次方原子。为了匹配这一高生成率,太阳粒子的通量必须很高。因此他们得出结论:775年左右碳14的增长太快,以至于不能由正常太阳耀斑和日冕物质抛射引起,所以太阳粒子起源的可能性很低,应当抛弃。

  但是,这个结论应该是不正确的。原因是他们所使用的碳循环模式忽略了深海——最大的含有92%到95%全部碳的容器,大大地高估了对流层背景碳14浓度。其结果要么是发生在775年左右的一个不可能的超强太阳耀斑和日冕,要么是一个起因未知的超强银河宇宙线事件。

  与麦亚克等人不同,乌叟斯肯等人使用了不同的碳循环模式来计算碳14生成率,得到的结果是每平方厘米1.3乘10的8次方原子,大约比麦亚克的计算值低5倍左右。这一较低的碳14生成率,能够合理地与具有强粒子发射的普通强太阳粒子事件相联系。

  基于乌叟斯肯小组的研究,如果与碳14高增长相关的事件是太阳粒子事件,那么那一次太阳爆发的能量,大约2倍于1859年的卡林顿太阳粒子事件——过去155年中有记载的最强太阳粒子事件。公元775年左右的太阳爆发事件,应该是过去11400年中最强的太阳爆发事件。

  关键的一环在于,强太阳粒子事件不但产生碳14的高增长,它们也能通过大气原子分子的电离,激发和退激发产生强极光。极光是磁纬较高地区上空大气的彩色发光现象,由于地磁场的作用,高能粒子绕磁力线做螺旋运动向磁极区域漂移,所以极光常见于高磁纬地区。而如果是超新星爆发,则不会引发强度那么大、持续时间那么久的极光。至于其中的科学原理是什么,由于涉及过于专业的内容,我们就不在这里详细解释了。

  历史上的强极光事件可能记录在各种历史文献中。早在公元前数千年,中国就开始观测极光,因而有着丰富的极光记录。而775年左右的太阳爆发事件,正是在《旧唐书》中找到了关键的证据。下面介绍的就是旧唐书中的详细记载。

  唐朝大历十年 “十二月丙子夜”(即中国农历774年12月11日夜,或公元775年1月17日夜),“东方月上有白气十余道,如匹帛,贯五车、东井、舆鬼、觜、参、毕、柳、轩辕,三更后方散”。其中“东方月上”指极光大致方位高度;“白气”指极光,是各种不同颜色的综合效果;“匹帛”是展开的丝绸,说明极光呈现的是带状形态;“贯”是贯穿覆盖,表示极光的产生区域;“贯五车、东井、舆鬼、觜、参、毕、柳、轩辕”,说的都是极光在二十八星宿中的星宿方位;“三更后方散”,给出这一超级极光的消散时间是在三更之后,即半夜1至2点之后。

  《旧唐书》借助中国星宿图,准确生动地记录了这次强极光。将星宿图上的极光投影到地面可知,极光发生的区域跨越东西南北,覆盖了北半球的相当部分。极光最可能是从晚上5至6点左右持续到半夜1至2点以后,持续时间约为8小时。因为不同能量不同方向的太阳粒子需要不同的时间才能到达地球,它们的产生时间最可能是775年1月14至16日。

  基于以上分析讨论可断定:公元775年左右发生了超强太阳粒子事件,这一事件引起了全球碳14高增长和强极光。因此,11400年以来最强超级太阳粒子事件被首次发现鉴定。

  太阳粒子事件中质子占主要地位,相应于775年的太阳质子辐射计算结果显示,近地空间飞船内部的辐射风险为50%到100%,远远超过美国宇航局推荐的3%的终生辐射风险限值,辐射是致命的。

  所幸的是,当时人类还没有技术可以破坏,在地球大气层的保护下,775年太阳粒子事件引起的地面辐射风险小于1%,人类得以幸存。

  但要是发生在今天,人类就不会这么幸运了。除了航天员的辐射风险,强太阳粒子事件还可能对地面和空间微电子学和光电子学器件、通讯设施以及电力网络产生严重破坏,如1859年的卡林顿强太阳粒子事件,几乎使北半球的电报系统完全瘫痪,因此强太阳粒子事件的辐射防护和预报研究极为重要。

  从775年太阳爆发事件研究中我们得到启发,必须寻找鉴定更多的历史强太阳粒子事件。为此我们将广泛调研中外强极光历史资料,测量分析古树和珊瑚年轮碳14的变化,计算太阳高能粒子的强度和辐射,建立数据库,研究数学物理模型,寻找历史上强太阳高能活动和粒子辐射规律,帮助实现空间天气和太阳粒子辐射预报。

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