1989年3月13日，当魁北克水电公司的电网崩溃时，停电使整个魁北克省——超过六百万人——陷入黑暗数小时。该事件是由一场猛烈的风暴引发的，但这场风暴并非地球制造。相反，源头是太阳：我们最近的恒星释放出大量高能粒子和辐射，对我们的技术基础设施造成了严重破坏。
然而，科学家们现在知道，那次事件并非偶然。它也并非特别强大。对从树木年轮收集的证据进行的仔细分析表明，类似但规模更大的冲击波在相对较近的过去曾多次袭击地球。长期以来，研究人员一直认为我们恒星有时会发生的极端活动是这些更大事件的罪魁祸首，但结合了树木生理学和地球碳循环的新研究挑战了太阳风暴是罪魁祸首的观点。
这种思维方式的转变大约始于十年前，当时宇宙射线物理学家宫宅芙纱（Fusa Miyake）开始分析在日本屋久岛砍伐的长寿雪松的木材。当时是日本名古屋大学研究生的宫宅女士，正在一丝不苟地从树木年轮中提取富含碳的纤维素，每个年轮通常记录了不到一毫米跨度内整整一年的生长情况。她的目标是测量碳 14 的含量——碳的一种放射性同位素通常用于考古文物的年代测定。
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碳 14，也称为放射性碳，是在地球上自然产生的，当太阳、其他恒星和各种宇宙灾难释放的高能辐射和粒子与地球高层大气中的原子（最显著的是氮）相互作用时产生。放射性碳也是人类活动的副产品——在20世纪中期冷战时代的原子武器试验鼎盛时期，该同位素的大气浓度翻了一番，当时美国和其他国家在大气层中引爆了数百枚核弹。
放射性碳仅占地球空气、水和岩石中循环碳的极小一部分，约为万亿分之一。但这仍然足以让该物质的可检测痕迹在树木和其他进行光合作用的植物中积累，这些植物从空气中吸取它，以放射性同位素标记的二氧化碳的形式存在。这使得树木的年度生长轮成为当地环境条件和主要大气化学成分的逐年记录，并允许科学家使用古老的、保存完好的木材来探测数千年前的情况。
自 1950 年代以来，研究人员就知道树木年轮中放射性碳的浓度随时间变化。但直到最近，放射性碳分析仍需要相对大量的纤维素，因此大多数测量都是基于五年甚至十年的树木年轮。早期的研究表明，大约在八世纪后期大气碳 14 显著增加，宫宅女士受到启发，开始检查公元 750 年至 820 年的单个树木年轮。她使用了一种称为加速器质谱法的灵敏技术来检测微量的放射性碳，她希望这将有助于揭示此类事件可能发生的时间和原因。
丹麦奥胡斯大学的物理学家耶斯珀·奥尔森（Jesper Olsen）说，许多人没有看到这项工作的意义，他没有参与这项研究。“真的没人认为这值得，”他说。
然而，宫宅女士的努力得到了回报，当数据显示，在公元 775 年，碳 14 的浓度异常大幅增加。她和她的同事在 2012 年的《自然》杂志上报告了这一发现。从那时起，研究人员在其他树木年轮记录中发现了更多的“宫宅事件”。六起事件——最古老的可追溯到公元前 7176 年——已得到特别充分的研究，宫宅事件已被用于限制各种历史事件的时间，例如维京人抵达美洲的时间。但宫宅事件的起源仍然神秘。除了普遍认为它们是由某种天体物理过程引起的共识外，它们还被不同地归因于太阳活动、附近超新星或中子星的辐射，甚至地球与彗星的近距离遭遇。
亚利桑那大学的地球科学家蒂姆·朱尔（Tim Jull）说，通常会引用巨大的太阳耀斑来解释宫宅事件，他没有参与这项研究。这种电磁辐射的爆发经常发生在太阳上，并且通常与高能粒子的爆发有关。但是，太阳活动与地球放射性碳波动记录之间的这种联系被一个事实模糊了，即我们的太阳也起到了防御作用：它的磁场有助于保护地球免受来自太阳系以外的高能粒子的侵袭，并可能减少而不是增加宇宙来源产生的放射性碳量。在 11 年太阳周期的高峰期，当太阳磁场最强时，这种屏蔽作用尤为明显。
澳大利亚昆士兰大学的天文学家本杰明·波普（Benjamin Pope）说，关于宫宅事件，一个确定的事实是：“它们是对到达地球的大量辐射爆发的探测。”研究人员现在知道，这些爆发超过了 1989 年袭击魁北克水电公司电网的冲击波。波普和他的同事最近分析了来自四大洲 60 多棵树木的放射性碳记录，以寻找这些神秘且令人担忧的信号的性质和可能来源。该团队的惊人结果于去年年底发表在《英国皇家学会会刊 A》上，这些结果使对宫宅事件本已模糊不清的理解更加混乱。
将一系列放射性碳测量值绘制为时间的函数，宫宅事件看起来很像一个悬崖，一面几乎是垂直的，而另一面则平缓得多。大多数宫宅事件都非常迅速地上升——通常在单个树木年轮的跨度内——然后在 10 到 20 年内消退。但这种结局并非由于同位素的放射性衰变，放射性衰变发生在数千年而不是数十年。相反，这是地球碳（无论是放射性的还是非放射性的）在环境中不断循环的结果，波普说。“它在碳循环中循环，”他补充道。大气中产生放射性碳爆发后，它最终会被埋藏在海底的沉积物中。
波普和他的同事意识到，要更好地了解宫宅事件的时间和持续时间，就需要更好地核算在全球碳循环中移动的放射性碳。研究人员转向了所谓的碳箱模型，该模型由微分方程系统组成，这些方程规定了碳如何在地球的大气层、生物圈、海洋和其他储层中扩散。波普说，这些模型都在试图回答一个基本问题。“如果你向大气中投入一点放射性碳，它会去哪里，什么时候去？”
波普和他的团队首先生成了一组模拟的宫宅事件，每个事件的开始日期、跨度和强度略有不同。然后，他们将模拟数据输入到几个不同的碳箱模型中，并将输出结果与从树木年轮获得的真实放射性碳测量值进行比较，从而收敛于每个宫宅事件的最佳拟合参数集。
根据这项分析，大多数宫宅事件似乎与短暂的、几乎瞬时的放射性碳产生“尖峰”相符。然而，有两起事件似乎持续时间较长。研究人员得出结论，其中一起特别的事件发生在公元前 663 年，持续了大约三年。波普说，这令人困惑，因为太阳耀斑、日冕物质抛射和太阳的其他爆发通常只持续几天或几周。他说，如此短暂的高能粒子爆发大概会被捕获在一个树木年轮中，而树木年轮是在一年内形成的。因此，发现多年信号的证据相当令人困惑。“天知道发生了什么，”波普打趣道。
但米勒斯维尔大学的太阳物理学家塔米莎·斯科夫（Tamitha Skov）说，也许有一种解释不需要放弃太阳的快速爆发，她没有参与这项研究。她说，答案可能在于地球磁场的复杂性。高能粒子可能会被困在那里，在大部分大气层上方数千公里处——足够高，以至于需要几年时间才能滴落下来并形成放射性碳。斯科夫说，这也许可以解释为什么一些宫宅事件看起来持续时间如此之长。她说，也许“其中一些持续时间较长的事件可能是一个持续时间较短的来源”。
朱尔说，对延长的宫宅事件的另一种解释可能仅仅是树木生理学。他说，当树木在春天开始生长时，在某些情况下，它们依赖于已经储存在细胞内的营养物质。朱尔说，当人们观察树木年轮时，这可能会导致看似短暂的事件（例如放射性碳脉冲）随着时间的推移而显得模糊。“在新信号和旧信号之间存在一些混合，”朱尔说。
当然，波普和他的同事承认，多年宫宅事件完全有可能在时间上真正延长。2020 年，另一个研究团队（包括宫宅芙纱）提出，在几年内反复发生的一系列太阳耀斑可能是罪魁祸首。
波普和他的团队也对宫宅事件相对于太阳周期的精确时间感兴趣。研究人员已经表明，太阳耀斑在太阳极大期附近发生的可能性大约是在太阳极小期附近的四倍，因此宫宅事件可能聚集在太阳周期的峰值附近是有道理的，波普说。“我希望做的是说这些都发生在太阳极大期，”他补充道。但该团队反而发现，这些事件都没有与太阳周期的峰值同步。
然而，其他研究人员仍然认为宫宅事件与太阳有关。“对我来说，它们没有与太阳周期的高峰期对齐，这根本不足为奇，”科罗拉多大学博尔德分校的地球物理学家德洛雷斯·克尼普（Delores Knipp）说，她没有参与这项研究。毕竟，她指出，太阳完全有能力在太阳极大期以外的时间向地球发射高能粒子。“我们知道，大多数到达地球的日冕物质抛射——它们通常是太阳高能粒子事件的主要驱动因素——倾向于出现在太阳周期高峰期之后，”克尼普说。
波普和他的同事假设，另一种想法是宫宅事件与太阳周期弱于平均水平有关。科学家们已经发现，在公元前 5480 年左右的树木年轮中，放射性碳增加了十年。虽然通常不被认为是宫宅事件，但其他研究人员提出，该信号可能是由太阳活动极度微弱时期引起的。太阳弱于平均水平的磁场将允许更多来自星际空间的高能粒子在那段时间到达地球。
树木年轮也不是寻找宫宅事件答案的唯一场所。一些研究人员已转向冰芯记录，以寻找铍 10 和氯 36——这两种同位素与放射性碳一样，是在大气中由高能现象产生的。澳大利亚核科学与技术组织的物理学家安德鲁·史密斯（Andrew Smith）研究南极冰芯中的此类同位素。从冰川或冰盖深处钻取的冰芯，每隔几十厘米就可以捕捉到过去一年时间的信息，为研究人员提供了更多材料来确定古代事件的时间。与树木年轮的年度时间分辨率相比，这允许以月为单位进行测量。史密斯和他的同事目前正在分析来自冰芯的数据，并考虑了宫宅事件。
宫宅事件及其起源仍然是神秘的——并且可能仍然如此，直到最终用科学仪器记录下来为止。但波普说，也许那不是我们应该期望的未来。毕竟，强度足以在树木年轮中显示的宇宙冲击波可能会对环绕地球的数千颗卫星造成灾难性影响。波普说，它们的敏感电子设备基本上会被烧毁，这可能会对导航和通信领域产生连锁反应，而导航和通信技术是我们现代社会中理所当然的技术。他说，如果——或者当——下一次宫宅事件发生时，“祝电信业好运。”