恆星耀發——浩瀚星空裡的磁能釋放

我們的太陽每天都發光發熱，哺育著地球上的萬物生長，可以說太陽就是地球上一切生命之源，萬物生長靠太陽[1]。

看似和藹可親的太陽，和人一樣，當內部“壓力”積累到一定程度之後，有時候也會偶爾發發脾氣，需要釋放。人類感情的宣洩，往往是由於長時間精神壓力的積累；而太陽發脾氣則是由於太陽大氣中磁場能量積累到一定程度的的結果。

這種“脾氣”，首先由兩位英國天文學家Richard Carrington[2]和Richard Hodgson[3]在1859年發生的一次巨大太陽爆發中觀測到。這兩位“同名”先生幾乎在同一時間在距離不到幾十英里的自家天文臺裡，看到了太陽的光學輻射有顯著增強，見圖1，史稱“卡林頓事件（Carrington Event）”。這種增強被太陽物理學家稱為“flare”，中國內地太陽物理學界譯為“耀斑”，而中國臺灣太陽物理學者則譯為“閃焰”。

圖1. 卡林頓在自家天文臺上觀測到的太陽輻射增強(圖源:Carrington R. C., 1859, MNRAS, 20, 13)

這次太陽爆發一併產生了很多地球物理事件（在當時還不能科學的認識到兩者的物理關聯）。事件發生時，正值我國清代咸豐九年，當時疲弱的清政府正處在太平天國運動和第二次鴉片戰爭交織的內憂外患中無法自拔，但是即便如此，我們感謝認真負責的地方官員，使我們能從地方誌中看到一些端倪。如果讀者對卡林頓事件（Carrington Event）感興趣，歡迎您關注我們後續的詳細介紹。

早期對太陽耀斑的知識主要來源於地面望遠鏡光學波段的觀測，但是隨著觀測儀器的不斷進步，現在人們已經用高時間解析度，高空間解析度，全波段高能譜解析度，抵近的觀測裝置對耀斑進行非常細緻的觀測[4,5]。尤其是對耀斑最敏感的軟X射線波段，GOES衛星在幾個太陽活動周內積累了大量的耀斑樣本，為耀斑的研究提供了方便。一個經典的太陽耀斑輪廓見圖2。

圖2. 2006年12月13日GOES衛星觀測到的一次X級耀斑的光變輪廓(圖源：SWPC/NOAA http://www.swpc.noaa.gov)

太陽能發脾氣，那漫天璀璨的星星是否也能發脾氣呢？答案是肯定的，最早研究變星的恆星天文學家發現了此中玄機。在上世紀二三十年代，對高自行矮星的觀測中，發現一些譜線具有強烈的變化。隨後在一系列恆星的氫發射線中也發現了這種現象。然而直到1948年，來自威爾遜山天文臺的天文學家對其中一顆高自行雙星[6]的一次短時標快速光變進行了定量研究，才真正拉開了恆星耀發研究的序幕。

如今，這顆著名的恆星被稱作鯨魚座UV變星（UVCeti）[7], 之後的觀測揭示出其在諸多波段上也同時存在快速變化，從而逐漸認識到其與太陽耀斑存在某種關聯。因此，恆星的這種光變也被稱做“flare”，但是由於對恆星缺少成像觀測，恆星天文學家一般翻譯成“耀發”。在接下來對恆星耀發進行地面觀測的幾十年裡，觀測到的樣本多是M型矮星的耀發。由於M矮星本身光度低，所以一旦發生耀發，就易於在光變輪廓中辨認出來。

隨著觀測樣本的逐漸增多，一個用來比較太陽和恆星磁場活動的研究方向——日星聯絡（solar-stellar connection）也逐漸成為熱點[8]。一個很自然的想法，就是想比較一下太陽和與它長得像的恆星（類太陽恆星）在發脾氣（耀發）的方式上有什麼異同。然而在地面觀測的幾十年裡，類太陽恆星的耀發樣本非常少，難以進行較為有效的統計研究。

2009年，隨著Kepler空間望遠鏡升空，一切有了明顯改觀。Kepler望遠鏡起初設計的主要科學目標是透過對恆星光變曲線的分析，透過凌星法實現對系外行星的搜尋[9]。Kepler是一個時域天文學的觀測利器，對同一個天區進行連續觀測, 見圖3。科研資料產品分為long-cadence(低頻取樣資料，30分鐘一次取樣)和short-cadence(高頻取樣資料，1分鐘一次取樣)兩種。

圖3. Kepler空間望遠鏡與Kepler 觀測天區（圖源：NASA http://www.nasa.gov）

最近，國家天文臺閆巖博士、賀晗研究員等人發表在英國《皇家天文學會月刊：快報》上的一篇論文(MNRAS: Letters, 2021, 505, L79-L83)就是基於Kepler高頻取樣資料，對恆星耀發光變輪廓的精細結構進行研究，從而揭示出類太陽恆星耀發的特徵時間[10]。

太陽耀斑的光變輪廓呈現比較明顯的先升-後降的特徵，在耀斑研究者的術語裡，這種兩段式特徵被分為“上升相”和“下降相”。本文的通訊作者、領導此項研究的賀晗研究員解釋說：“一般來說，耀斑的上升相代表了太陽磁場能量透過磁重聯過程快速釋放的過程，而其下降相則代表了耀斑源區的逐漸冷卻過程。因而，耀斑的上升相和下降相的特徵時標，對耀斑研究具有非常重要的物理意義。”透過對Kepler資料的分析，我們發現恆星耀發也存在明顯的先升-後降特徵，如圖4所示，為我們後續進行比較研究提供了很好的樣本。

圖4. 發生在KIC 4543412恆星上一次耀發的經典光變輪廓(圖源：Yan Y. et al., 2021, MNRAS, 505, L79)

那麼，如何選取樣本呢？首先，需要找出和太陽長得像的恆星來。在這個研究中，我們採用了三個恆星物理中比較成熟的引數來界定，分別是有效溫度、對數化的表面重力加速度和單星屬性。太陽的有效溫度約為5800K，對數化表面重力加速度約為4.4。我們找到了20顆與太陽長得很像的耀發恆星，並在其光變輪廓中找到了184個耀發樣本。

閆巖博士說：“透過對樣本的統計分析，我們得出類太陽恆星耀發的上升相和下降相的時間的中位數分別為5.9分鐘和22.6分鐘，這和太陽耀斑的結果非常相似。因此，我們可以這樣說，類太陽恆星不僅和太陽長得像，連一顰（上升相）一笑（下降相）的調調也那麼像，所以，它們應該具有相同的物理機制。”恆星耀發，正是浩瀚星空發生的劇烈磁能釋放。

透過進一步研究，我們發現上升相和下降相的分佈規律都具有明顯的尖峰-長尾特徵，符合統計學裡的對數正態分佈[11]，置信水平達到0.95，如圖5所示。

圖5. 左側為耀發樣本上升相時間和下降相時間的對數正態分佈圖，右側為上升相時間和下降相時間各自取對數後的正態分佈圖(圖源：Yan Y. et al., 2021, MNRAS, 505, L79)

“類太陽恆星耀發上升相和下降相的分佈都符合對數正態分佈，這個結論會讓我們把它當做研究其它型別恆星耀發特徵時間的基準，從而看看其它型別的恆星在耀發行為上是否也和類太陽恆星差不多。”賀晗研究員評論說。

在太陽系中，太陽耀斑是空間天氣的源。就耀斑本身來說，它可以影響到地球的空間環境，增加地球上層大氣的電離度，從而影響到短波通訊或者低軌衛星的穩定性。而對於系外的恆星-行星系統來說，宿主恆星耀發產生的高能輻射也同樣會參與系外行星大氣的演化過程。

恆星耀發中產生的紫外輻射通量變化會對系統內的行星大氣產生作用，進而影響到系外行星的宜居性問題。因此，透過對恆星耀發特徵時間的研究，有助於我們為將來的星際移民做好準備。

在某次關於太陽-恆星物理的學術討論會上，紫金山天文臺的熊大閏院士曾經說：“對於太陽來說，我們得到的是豐富的、細緻的耀斑樣本；然而對於恆星來說，我們獲取的是各種不同型別恆星的耀發信息。”

把時光放回到160多年前，Richard Carrington在他對太陽耀斑具有奠基性意義的論文裡，文末引用了源自古希臘著名哲人亞里士多德的名言：“One swallow does not make a summer (一燕不成夏).”在當時那個年代，他已經隱約估計到了太陽耀斑發現的重要意義。

參考文獻：

[1] 譚寶林，《太陽之美：一顆恆星的過去、現在和未來》，天津科學技術出版社，2019年，天津

[2] Carrington R. C., 1859, MNRAS, 20, 13

[3] Hodgson R., 1859, MNRAS, 20, 15

[4] 方成、丁明德、陳鵬飛，《太陽活動區物理》，南京大學出版社，2008年，南京

[5] 塗傳詒、宗秋剛、何建森、田暉、王玲華，《日地空間物理學（第二版）上冊：日球層物理》，科學出版社，2020年，北京

[6] Joy, A.H. & Humason, M.H., 1949, PASP, 61, 133

[7] 蘇宜，《天文學新概論（第五版）》，科學出版社，2019年，北京

[8] Brun A. S., Browning M. K., 2017, Living Rev. Sol. Phys., 14, 4

[9] Borucki W. J. et al., 2010, Science, 327, 977

[10] Yan Y. et al., 2021, MNRAS, 505, L79

[11] Weisstein, Eric W. "LogNormal Distribution." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. https://mathworld.wolfram.com/LogNormalDistribution.html

作者：閆巖

文稿編輯：趙宇豪

來源： 光明網