周大莊

　　新聞背景

　　據(jù)中國科學院網(wǎng)站報道，國家空間科學中心特聘研究員周大莊等科研人員，通過分析碳14顯著增長事件和對我國史料記載的研究發(fā)現(xiàn)，在公元775年，發(fā)生了迄今已知最強的太陽高能粒子事件。本版特約主要研究者就相關問題向讀者作科普介紹。

　　古樹碳14增長來歷不明

　　2012年，日本麥亞克研究組發(fā)現(xiàn)，日本雪松樹年輪在774—775年間的放射性碳14有千分之十二的高增長；歐洲烏叟斯肯等研究組發(fā)現(xiàn)，歐洲橡樹年輪的放射性碳14具有同樣的增長。中國研究者也發(fā)現(xiàn)，南中國海珊瑚在773—775年有相似的放射性碳14快速增長。這些結果表明，775年左右碳14的增長是全球性的現(xiàn)象。

　　科學家們知道，當宇宙射線進入地球大氣層時，它們與大氣物質(zhì)發(fā)生反應產(chǎn)生中子，中子進一步與氮14原子核發(fā)生反應產(chǎn)生碳14，會沉降在樹木、珊瑚和冰芯中。因此測量樹木、珊瑚和冰芯年輪碳14的變化可以推導宇宙射線的強度變化。

　　而宇宙射線可以分為銀河宇宙射線和太陽宇宙射線兩種。前者起源于超新星、脈沖星和其他高能天體活動；后者起源于太陽高能活動——耀斑和日冕物質(zhì)拋射。地球環(huán)境中，在非超高能范圍內(nèi)太陽宇宙射線的強度高于銀河宇宙射線。

　　那么，775年左右的碳14增長到底是來自何方的力量造成的？

　　超新星爆發(fā)可能性很低

　　研究表明，銀河宇宙射線的正常變化幅度低，不可能誘發(fā)碳14的高增長，因而應當排除掉，于是碳14高增長的來源可能是具有強粒子發(fā)射的太陽粒子事件，和伴有伽馬射線發(fā)射的超新星爆發(fā)。

　　超新星伽馬射線可通過光核反應產(chǎn)生中子，從而產(chǎn)生碳14，因此較早的研究認為超新星是775年左右碳14高增長的一個可能起源。但是研究人員并沒有在著名超新星事件SN1006和SN1054對應年代找到碳14增長。據(jù)估算，如果775年左右的碳14增長起源于超新星伽馬射線，則這個超新星的能量將是普通超新星能量的100倍，這樣的事件極難發(fā)生。

　　另一方面，研究人員發(fā)現(xiàn)，為了產(chǎn)生類似775年左右的碳14增長，超新星必須距地球約一百光年，這樣的事件定會刺眼地亮，遠比月光還亮，并且會持續(xù)數(shù)月之久，這樣奇異的現(xiàn)象歷史上不會沒有記載。同時，因為如此地靠近地球，超新星遺跡一定會仍然可見。事實上，蟹狀星云是天空中最亮的超新星遺跡，如果地球附近有相應于775年左右碳14高增長的超新星，它應該比蟹狀星云更亮，人類不會看不到。

　　根據(jù)以上分析，必須排除775年左右碳14高增長的超新星起因。

　　太陽粒子來源的不同意見

　　這樣看來，具有強粒子發(fā)射的太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射，最有可能是775年左右碳14高增長的起因。

　　但是據(jù)日本麥亞克等人計算，775年左右的碳14產(chǎn)生率是每平方厘米6乘10的8次方原子。為了匹配這一高生成率，太陽粒子的通量必須很高。因此他們得出結論：775年左右碳14的增長太快，以至于不能由正常太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射引起，所以太陽粒子起源的可能性很低，應當拋棄。

　　但是，這個結論應該是不正確的。原因是他們所使用的碳循環(huán)模式忽略了深�！畲蟮暮�92%到95%全部碳的容器，大大地高估了對流層背景碳14濃度。其結果要么是發(fā)生在775年左右的一個不可能的超強太陽耀斑和日冕，要么是一個起因未知的超強銀河宇宙線事件。

　　與麥亞克等人不同，烏叟斯肯等人使用了不同的碳循環(huán)模式來計算碳14生成率，得到的結果是每平方厘米1.3乘10的8次方原子，大約比麥亞克的計算值低5倍左右。這一較低的碳14生成率，能夠合理地與具有強粒子發(fā)射的普通強太陽粒子事件相聯(lián)系。

　　基于烏叟斯肯小組的研究，如果與碳14高增長相關的事件是太陽粒子事件，那么那一次太陽爆發(fā)的能量，大約2倍于1859年的卡林頓太陽粒子事件——過去155年中有記載的最強太陽粒子事件。公元775年左右的太陽爆發(fā)事件，應該是過去11400年中最強的太陽爆發(fā)事件。

　　《舊唐書》中記載成關鍵證據(jù)

　　關鍵的一環(huán)在于，強太陽粒子事件不但產(chǎn)生碳14的高增長，它們也能通過大氣原子分子的電離，激發(fā)和退激發(fā)產(chǎn)生強極光。極光是磁緯較高地區(qū)上空大氣的彩色發(fā)光現(xiàn)象，由于地磁場的作用，高能粒子繞磁力線做螺旋運動向磁極區(qū)域漂移，所以極光常見于高磁緯地區(qū)。而如果是超新星爆發(fā)，則不會引發(fā)強度那么大、持續(xù)時間那么久的極光。至于其中的科學原理是什么，由于涉及過于專業(yè)的內(nèi)容，我們就不在這里詳細解釋了。

　　歷史上的強極光事件可能記錄在各種歷史文獻中。早在公元前數(shù)千年，中國就開始觀測極光，因而有著豐富的極光記錄。而775年左右的太陽爆發(fā)事件，正是在《舊唐書》中找到了關鍵的證據(jù)。下面介紹的就是舊唐書中的詳細記載。

　　唐朝大歷十年 “十二月丙子夜”（即中國農(nóng)歷774年12月11日夜，或公元775年1月17日夜），“東方月上有白氣十余道，如匹帛，貫五車、東井、輿鬼、觜、參、畢、柳、軒轅，三更后方散”。其中“東方月上”指極光大致方位高度；“白氣”指極光，是各種不同顏色的綜合效果；“匹帛”是展開的絲綢，說明極光呈現(xiàn)的是帶狀形態(tài)；“貫”是貫穿覆蓋，表示極光的產(chǎn)生區(qū)域；“貫五車、東井、輿鬼、觜、參、畢、柳、軒轅”，說的都是極光在二十八星宿中的星宿方位；“三更后方散”，給出這一超級極光的消散時間是在三更之后，即半夜1至2點之后。

　　《舊唐書》借助中國星宿圖，準確生動地記錄了這次強極光。將星宿圖上的極光投影到地面可知，極光發(fā)生的區(qū)域跨越東西南北，覆蓋了北半球的相當部分。極光最可能是從晚上5至6點左右持續(xù)到半夜1至2點以后，持續(xù)時間約為8小時。因為不同能量不同方向的太陽粒子需要不同的時間才能到達地球，它們的產(chǎn)生時間最可能是775年1月14至16日。

　　基于以上分析討論可斷定：公元775年左右發(fā)生了超強太陽粒子事件，這一事件引起了全球碳14高增長和強極光。因此，11400年以來最強超級太陽粒子事件被首次發(fā)現(xiàn)鑒定。