每隔一段时间，我们的恒星就会产生巨大的粒子和辐射耀斑，会对地球造成严重破坏。150 多年来，研究这些爆发及其如何影响我们星球的科学家一直非常关注一个看似顶峰的例子：1859 年的卡林顿事件。来自太阳的一次爆发冲击了地球，向我们星球的磁场注入了足够的能量，引发了一场巨大的地磁暴，这场风暴创造了美丽的极光景象，但也引发了电报线路的电气火灾。这场风暴被视为一种奇怪的、微不足道的不便，对当时的电气基础设施造成的破坏有限。然而，今天的研究人员认识到，卡林顿事件以及 1921 年强度相当的风暴是对未来灾难的不祥警告。
太阳风暴可能更加严重的第一个迹象出现在 2012 年，当时发现了一场比卡林顿事件强 10 到 100 倍的超级风暴，发生在公元 775 年左右。“这真是太令人震惊了，”苏黎世联邦理工学院的尼古拉斯·布雷姆说。“我们没想到会发生如此规模的事情。”
科学家当时推测，古代超级风暴可能来自万年一遇的“超级耀斑”，这种事件的威力比常规太阳耀斑强大数千倍。如果今天受到这种超级耀斑的直接袭击，将对我们全球互联的社会造成毁灭性后果。
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现在，这些现象似乎比我们想象的更为常见：研究人员调查了地球近期历史的地质化学年鉴，现在发现了另外两个事件的证据。
在布雷姆领导的一篇论文中，科学家在 Research Square 上以预印本形式发布了可能发现的两次非常强烈的太阳事件。一次发生在公元前 7176 年，当时游牧的狩猎采集社会正在让位于农业定居点。另一次发生在公元前 5259 年，当时地球正从最后一个冰河时代中走出。据认为，这两次事件的强度至少与公元 775 年的事件相当，在过去的十年里，科学家们一直在寻找类似的极端事件。布雷姆的团队是第一个发现一些事件的团队。“这是一项伟大的成就，”日本名古屋大学的宫宅芙纱说，她在 2012 年领导了揭示 775 年事件的研究。科学家现在将此类超级耀斑称为“宫宅事件”。
太阳耀斑和发光的等离子体薄片从太阳上一个剧烈活动的区域升起。图片来源：美国国家航空航天局，SDO 以及 AIA、EVE 和 HMI 科学团队
为了寻找这些太阳耀斑，研究人员依赖于对来自极地冰盖和古代树木（保存在积水沼泽或高山顶上）的样本进行化学分析。当太阳粒子撞击大气层时，它们会产生各种元素的不稳定放射性形式，称为同位素，这些同位素会在这些地方积累。例如，太阳活动可以形成碳 14，树木在生长过程中会吸收碳 14。由于树木树干内的每个年轮都对应着一年的生长，科学家可以确定由太阳活动增加引起的任何同位素峰值的精确日期：一个年轮中碳 14 越多，当时撞击我们大气层的太阳粒子就越多。亚利桑那大学树木年轮研究实验室的夏洛特·皮尔逊说，这些年轮“使我们能够重建随时间推移的放射性碳模式”，她是布雷姆论文的合著者。“驱动这些波动的主要因素之一是太阳的活动。”
通过研究冰芯中铍 10 和氯 36 的浓度，科学家可以进行类似但略微不太准确的测量。这两种方法结合起来可以提供对历史事件的精确描述。我们拥有全新世（当前的地质时代，大约始于 12,000 年前）的大部分树木年轮数据。然而，仔细研究它们以搜索碳 14 峰值非常耗时。仅查看一年通常需要数周的时间来分析和交叉关联多个树木年轮样本。“全新世有 12,000 年需要完成，我们已经完成了 16%，”英国历史遗迹科学测年负责人、该论文的合著者亚历山德拉·贝利斯说。“这是一个时间和金钱的问题。”
布雷姆和他的团队很幸运。对于公元前 7176 年的事件，他们首先在冰芯中看到了铍 10 峰值的初步证据。研究人员随后使用树木年轮，看到了相应的碳 14 峰值。对于公元前 5259 年的事件，贝利斯注意到此时期考古数据中存在一个空白期。通过研究这个时代的树木年轮中的碳 14 数据，该团队发现了另一个峰值。“我们发现这两个日期的峰值都大幅增加，”布雷姆说，每个峰值的幅度都与宫宅在确证公元 775 年事件的样本中发现的峰值相似。
一个行星大小的太阳日珥从我们的恒星中爆发出来，释放出大量的物质和辐射。图片来源：美国国家航空航天局，SDO 以及 AIA、EVE 和 HMI 科学团队
起初，科学家们不确定是什么原因导致了这些峰值，有些人甚至认为太阳事件不太可能发生。然而，华盛顿大学的布莱恩·托马斯领导的 2013 年的一项研究表明，太阳耀斑可能是罪魁祸首。“有人建议[775 年的峰值]可能来自超新星甚至伽马射线暴，”托马斯说，他没有参与布雷姆及其同事的最新论文。“但它们太罕见了，不可能导致这种频率。它不如太阳解释那么合适。”他认为，如此巨大、频繁的峰值更可能是太阳活动增加的结果，可能伴随着类似于卡林顿事件但威力更大的地磁暴。“卡林顿事件甚至无法在树木年轮和冰芯中检测到，”贝利斯指出，这表明与它们相比，卡林顿事件微不足道。
即便如此，太阳粒子峰值与伴随而来的任何地磁暴的强度之间的确切相关性仍然不清楚。“大的粒子事件通常与地磁暴有关，但并非一定如此，”托马斯说。甚至可能像卡林顿事件这样的地磁暴根本不会导致碳 14 峰值——这将解释为什么在追溯到该事件的树木年轮和冰芯数据中没有发现它。然而，有迹象表明，至少 775 年的事件伴随着强烈的极光，在中国有记录，这表明除了大量涌入的太阳粒子外，还存在强烈的地磁暴。“假设所有这些事件都是大的地磁暴更安全，”托马斯说。
如果这种联系是正确的，则表明仅在过去 10,000 年中，地球就至少遭受了三次太阳超级耀斑的袭击。（最终可能在尚未分析碳 14 峰值的 84% 的可用树木年轮数据中找到更多证据。）“过去 10,000 年中只有一次真的似乎不现实，”皮尔逊说。“但在这一点之前，它可能只是一次性的。既然我们又发现了两次，我不确定这是否令人惊讶——但可能令人担忧。”
扭曲磁场的翻腾漩涡驱动着定义太阳 11 年活动周期的爆发。图片来源：美国国家航空航天局，SDO 以及 AIA、EVE 和 HMI 科学团队
主要的担忧是，如果今天发生这样的事件，可能会对轨道上的卫星和地面基础设施造成毁灭性破坏。1989 年 3 月，一场比卡林顿事件弱得多的地磁暴导致魁北克省停电 12 小时，因为它使整个省的电网过载。今天，由宫宅事件引起的地磁暴可能会造成更广泛的影响，包括可能具有灾难性的电网和卫星故障。
加利福尼亚大学欧文分校的桑吉塔·阿卜杜·乔蒂最近计算得出，今天卡林顿事件级别的风暴甚至可能导致“互联网末日”。来自这种风暴的高能粒子可能会击毁国家之间的海底电缆，导致全球互联网流量中断数周甚至数月。阿卜杜·乔蒂估计，仅在美国，这种灾难每天就可能造成 70 亿美元的损失。像宫宅事件这样更强烈的事件可能会造成几乎无法估量的损失。“对于卡林顿规模的事件，我们可能会恢复，因为我们自己的数据不会被擦除，”阿卜杜·乔蒂说。“对于强度是其 10 倍或 100 倍的事件，我不知道。我认为没有人模拟过。我怀疑这会造成重大的数据丢失。我们可能会丢失所有记录、银行信息和关键健康信息，并且没有任何可以追溯的东西。”
我们的全球文明因宫宅事件而遭受黑暗时代的可能性目前看来很渺茫。但一些估计表明，未来十年内发生卡林顿级别事件的可能性可能高达12%。我们可以通过监测太阳活动来为这种规模的事件做好准备，以便在超级耀斑及其随后的地磁暴到来之前关闭卫星和电网。但宫宅事件可能更难防范。
与此同时，科学家们继续在古代树木年轮和冰芯中寻找其他极端太阳事件的证据。“我们开始意识到太阳可能比我们想象的更有活力和更活跃，”托马斯说。“当人们研究其他恒星上的这些超级耀斑时，其中一个讨论是太阳是否会这样做。从这些历史记录来看，太阳似乎有能力达到这个范围。”