我們的太陽(yáng)每天都發(fā)光發(fā)熱，哺育著地球上的萬(wàn)物生長(zhǎng)，可以說(shuō)太陽(yáng)就是地球上一切生命之源，萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)[1]。

看似和藹可親的太陽(yáng)，和人一樣，當(dāng)內(nèi)部“壓力”積累到一定程度之后，有時(shí)候也會(huì)偶爾發(fā)發(fā)脾氣，需要釋放。人類感情的宣泄，往往是由于長(zhǎng)時(shí)間精神壓力的積累；而太陽(yáng)發(fā)脾氣則是由于太陽(yáng)大氣中磁場(chǎng)能量積累到一定程度的的結(jié)果。

這種“脾氣”，首先由兩位英國(guó)天文學(xué)家Richard Carrington[2]和Richard Hodgson[3]在1859年發(fā)生的一次巨大太陽(yáng)爆發(fā)中觀測(cè)到。這兩位“同名”先生幾乎在同一時(shí)間在距離不到幾十英里的自家天文臺(tái)里，看到了太陽(yáng)的光學(xué)輻射有顯著增強(qiáng)，見(jiàn)圖1，史稱“卡林頓事件（Carrington Event）”。這種增強(qiáng)被太陽(yáng)物理學(xué)家稱為“flare”，中國(guó)內(nèi)地太陽(yáng)物理學(xué)界譯為“耀斑”，而中國(guó)臺(tái)灣太陽(yáng)物理學(xué)者則譯為“閃焰”。

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

這次太陽(yáng)爆發(fā)一并產(chǎn)生了很多地球物理事件（在當(dāng)時(shí)還不能科學(xué)的認(rèn)識(shí)到兩者的物理關(guān)聯(lián)）。事件發(fā)生時(shí)，正值我國(guó)清代咸豐九年，當(dāng)時(shí)疲弱的清政府正處在太平天國(guó)運(yùn)動(dòng)和第二次鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)交織的內(nèi)憂外患中無(wú)法自拔，但是即便如此，我們感謝認(rèn)真負(fù)責(zé)的地方官員，使我們能從地方志中看到一些端倪。如果讀者對(duì)卡林頓事件（Carrington Event）感興趣，歡迎您關(guān)注我們后續(xù)的詳細(xì)介紹。

早期對(duì)太陽(yáng)耀斑的知識(shí)主要來(lái)源于地面望遠(yuǎn)鏡光學(xué)波段的觀測(cè)，但是隨著觀測(cè)儀器的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在人們已經(jīng)用高時(shí)間分辨率，高空間分辨率，全波段高能譜分辨率，抵近的觀測(cè)設(shè)備對(duì)耀斑進(jìn)行非常細(xì)致的觀測(cè)[4,5]。尤其是對(duì)耀斑最敏感的軟X射線波段，GOES衛(wèi)星在幾個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周內(nèi)積累了大量的耀斑樣本，為耀斑的研究提供了方便。一個(gè)經(jīng)典的太陽(yáng)耀斑輪廓見(jiàn)圖2。

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

太陽(yáng)能發(fā)脾氣，那漫天璀璨的星星是否也能發(fā)脾氣呢？答案是肯定的，最早研究變星的恒星天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了此中玄機(jī)。在上世紀(jì)二三十年代，對(duì)高自行矮星的觀測(cè)中，發(fā)現(xiàn)一些譜線具有強(qiáng)烈的變化。隨后在一系列恒星的氫發(fā)射線中也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。然而直到1948年，來(lái)自威爾遜山天文臺(tái)的天文學(xué)家對(duì)其中一顆高自行雙星[6]的一次短時(shí)標(biāo)快速光變進(jìn)行了定量研究，才真正拉開(kāi)了恒星耀發(fā)研究的序幕。

如今，這顆著名的恒星被稱作鯨魚(yú)座UV變星（UVCeti）[7], 之后的觀測(cè)揭示出其在諸多波段上也同時(shí)存在快速變化，從而逐漸認(rèn)識(shí)到其與太陽(yáng)耀斑存在某種關(guān)聯(lián)。因此，恒星的這種光變也被稱做“flare”，但是由于對(duì)恒星缺少成像觀測(cè)，恒星天文學(xué)家一般翻譯成“耀發(fā)”。在接下來(lái)對(duì)恒星耀發(fā)進(jìn)行地面觀測(cè)的幾十年里，觀測(cè)到的樣本多是M型矮星的耀發(fā)。由于M矮星本身光度低，所以一旦發(fā)生耀發(fā)，就易于在光變輪廓中辨認(rèn)出來(lái)。

隨著觀測(cè)樣本的逐漸增多，一個(gè)用來(lái)比較太陽(yáng)和恒星磁場(chǎng)活動(dòng)的研究方向——日星聯(lián)系（solar-stellar connection）也逐漸成為熱點(diǎn)[8]。一個(gè)很自然的想法，就是想比較一下太陽(yáng)和與它長(zhǎng)得像的恒星（類太陽(yáng)恒星）在發(fā)脾氣（耀發(fā)）的方式上有什么異同。然而在地面觀測(cè)的幾十年里，類太陽(yáng)恒星的耀發(fā)樣本非常少，難以進(jìn)行較為有效的統(tǒng)計(jì)研究。

2009年，隨著Kepler空間望遠(yuǎn)鏡升空，一切有了明顯改觀。Kepler望遠(yuǎn)鏡起初設(shè)計(jì)的主要科學(xué)目標(biāo)是通過(guò)對(duì)恒星光變曲線的分析，通過(guò)凌星法實(shí)現(xiàn)對(duì)系外行星的搜尋[9]。Kepler是一個(gè)時(shí)域天文學(xué)的觀測(cè)利器，對(duì)同一個(gè)天區(qū)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè), 見(jiàn)圖3。科研數(shù)據(jù)產(chǎn)品分為long-cadence(低頻采樣數(shù)據(jù)，30分鐘一次采樣)和short-cadence(高頻采樣數(shù)據(jù)，1分鐘一次采樣)兩種。

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

最近，國(guó)家天文臺(tái)閆巖博士、賀晗研究員等人發(fā)表在英國(guó)《皇家天文學(xué)會(huì)月刊：快報(bào)》上的一篇論文(MNRAS: Letters, 2021, 505, L79-L83)就是基于Kepler高頻采樣數(shù)據(jù)，對(duì)恒星耀發(fā)光變輪廓的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，從而揭示出類太陽(yáng)恒星耀發(fā)的特征時(shí)間[10]。

太陽(yáng)耀斑的光變輪廓呈現(xiàn)比較明顯的先升-后降的特征，在耀斑研究者的術(shù)語(yǔ)里，這種兩段式特征被分為“上升相”和“下降相”。本文的通訊作者、領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的賀晗研究員解釋說(shuō)：“一般來(lái)說(shuō)，耀斑的上升相代表了太陽(yáng)磁場(chǎng)能量通過(guò)磁重聯(lián)過(guò)程快速釋放的過(guò)程，而其下降相則代表了耀斑源區(qū)的逐漸冷卻過(guò)程。因而，耀斑的上升相和下降相的特征時(shí)標(biāo)，對(duì)耀斑研究具有非常重要的物理意義。”通過(guò)對(duì)Kepler數(shù)據(jù)的分析，我們發(fā)現(xiàn)恒星耀發(fā)也存在明顯的先升-后降特征，如圖4所示，為我們后續(xù)進(jìn)行比較研究提供了很好的樣本。

圖4. 發(fā)生在KIC 4543412恒星上一次耀發(fā)的經(jīng)典光變輪廓(圖源：Yan Y. et al., 2021, MNRAS, 505, L79)

那么，如何選取樣本呢？首先，需要找出和太陽(yáng)長(zhǎng)得像的恒星來(lái)。在這個(gè)研究中，我們采用了三個(gè)恒星物理中比較成熟的參數(shù)來(lái)界定，分別是有效溫度、對(duì)數(shù)化的表面重力加速度和單星屬性。太陽(yáng)的有效溫度約為5800K，對(duì)數(shù)化表面重力加速度約為4.4。我們找到了20顆與太陽(yáng)長(zhǎng)得很像的耀發(fā)恒星，并在其光變輪廓中找到了184個(gè)耀發(fā)樣本。

閆巖博士說(shuō)：“通過(guò)對(duì)樣本的統(tǒng)計(jì)分析，我們得出類太陽(yáng)恒星耀發(fā)的上升相和下降相的時(shí)間的中位數(shù)分別為5.9分鐘和22.6分鐘，這和太陽(yáng)耀斑的結(jié)果非常相似。因此，我們可以這樣說(shuō)，類太陽(yáng)恒星不僅和太陽(yáng)長(zhǎng)得像，連一顰（上升相）一笑（下降相）的調(diào)調(diào)也那么像，所以，它們應(yīng)該具有相同的物理機(jī)制。”恒星耀發(fā)，正是浩瀚星空發(fā)生的劇烈磁能釋放。

通過(guò)進(jìn)一步研究，我們發(fā)現(xiàn)上升相和下降相的分布規(guī)律都具有明顯的尖峰-長(zhǎng)尾特征，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)里的對(duì)數(shù)正態(tài)分布[11]，置信水平達(dá)到0.95，如圖5所示。

圖5. 左側(cè)為耀發(fā)樣本上升相時(shí)間和下降相時(shí)間的對(duì)數(shù)正態(tài)分布圖，右側(cè)為上升相時(shí)間和下降相時(shí)間各自取對(duì)數(shù)后的正態(tài)分布圖(圖源：Yan Y. et al., 2021, MNRAS, 505, L79)

“類太陽(yáng)恒星耀發(fā)上升相和下降相的分布都符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，這個(gè)結(jié)論會(huì)讓我們把它當(dāng)做研究其它類型恒星耀發(fā)特征時(shí)間的基準(zhǔn)，從而看看其它類型的恒星在耀發(fā)行為上是否也和類太陽(yáng)恒星差不多。”賀晗研究員評(píng)論說(shuō)。

在太陽(yáng)系中，太陽(yáng)耀斑是空間天氣的源。就耀斑本身來(lái)說(shuō)，它可以影響到地球的空間環(huán)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(wèi)星的穩(wěn)定性。而對(duì)于系外的恒星-行星系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，宿主恒星耀發(fā)產(chǎn)生的高能輻射也同樣會(huì)參與系外行星大氣的演化過(guò)程。

恒星耀發(fā)中產(chǎn)生的紫外輻射通量變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的行星大氣產(chǎn)生作用，進(jìn)而影響到系外行星的宜居性問(wèn)題。因此，通過(guò)對(duì)恒星耀發(fā)特征時(shí)間的研究，有助于我們?yōu)閷?lái)的星際移民做好準(zhǔn)備。

在某次關(guān)于太陽(yáng)-恒星物理的學(xué)術(shù)討論會(huì)上，紫金山天文臺(tái)的熊大閏院士曾經(jīng)說(shuō)：“對(duì)于太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，我們得到的是豐富的、細(xì)致的耀斑樣本；然而對(duì)于恒星來(lái)說(shuō)，我們獲取的是各種不同類型恒星的耀發(fā)信息。”

把時(shí)光放回到160多年前，Richard Carrington在他對(duì)太陽(yáng)耀斑具有奠基性意義的論文里，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(dāng)時(shí)那個(gè)年代，他已經(jīng)隱約估計(jì)到了太陽(yáng)耀斑發(fā)現(xiàn)的重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚寶林，《太陽(yáng)之美：一顆恒星的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)》，天津科學(xué)技術(shù)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(yáng)活動(dòng)區(qū)物理》，南京大學(xué)出版社，2008年，南京

[5] 涂傳詒、宗秋剛、何建森、田暉、王玲華，《日地空間物理學(xué)（第二版）上冊(cè)：日球?qū)游锢怼罚茖W(xué)出版社，2020年，北京

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

[7] 蘇宜，《天文學(xué)新概論（第五版）》，科學(xué)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