|作者：毛選1,2　劉禾陽2,?

(1 中國科學院大學天文與空間科學學院)

(2 中國科學院國家天文臺)

本文選自《物理》2025年第5期

01

卡林頓事件

1859年9月1日清晨，英國天文學家理查德·卡林頓正在自己的私人天文臺觀測太陽。突然，他在太陽黑子群附近看到了兩道異常明亮的白光(圖1)。在短短五分鐘內，這兩道白光就消失了，但它在人類歷史上留下了永恒的印記，這一太陽表面局部而暫時性的增亮后來被科學家們稱為太陽耀斑。在這次耀斑爆發后不到18小時，地球遭遇了前所未有的地磁暴襲擊，全世界各地陸續出現異常現象：當時剛發展起來的電報網絡受到嚴重沖擊，多地電報系統陷入癱瘓，有些電報機甚至自燃起火；通常只在北極圈內才能看到的極光，這次竟然向南延伸到了古巴、牙買加等熱帶地區。這就是著名的“卡林頓事件”[1]，根據現代科學測算，該事件釋放的能量相當于100億顆廣島原子彈同時爆炸，其引發的日冕物質拋射僅用17小時就穿越了通常需要3—4天才能穿越的日地距離。“卡林頓事件”不僅讓當時的人們第一次直觀認識到太陽活動對地球的直接影響，也以其驚人的強度成為現代空間天氣研究的里程碑事件。

圖1 1859年9月1日上午，卡林頓手繪的太陽黑子草 圖[1]

02

什么是恒星耀發和太陽耀斑？

恒星耀發是恒星表面突然增亮的劇烈爆發現象，表現為在極短時間內亮度急劇上升，隨后緩慢衰減，整個過程可持續從幾分鐘到數天不等。這類事件除了在各個波段(從X射線到射電波段)輻射的顯著增強外，還可能伴隨著冕區物質拋射。我們可以將恒星這個巨大的等離子體球想象成一個“宇宙生命體”，其表面活躍區就像容易“鬧脾氣”的器官。當這些區域壓力積累到極限時，就會通過耀斑爆發來場“情緒宣泄”。不同類型、年齡、大小的恒星都能產生耀發，具體到太陽，這類活動被稱為太陽耀斑，按照峰值X射線強度分為A、B、C、M和X五個等級，每級之間相差一個數量級。其中，A級耀斑相當于太陽打了個“小噴嚏”，而X級耀斑則如同“超級噴嚏”——2017年9月6日的X9.3級耀斑[2](也被稱為“中元節事件”，圖2)，釋放的能量與上百顆氫彈爆炸的能量相當。然而，與其他活躍恒星相比，太陽的耀發活動可謂“溫和”。特別是紅矮星(M型主序星)上的超級耀發，其能量規模遠超太陽耀斑。2016年，在距離我們最近的恒星——比鄰星上(距離太陽僅4.2光年)第一次探測到超級耀發[3]，期間比鄰星的亮度增加68倍，釋放的能量比太陽上任何一次耀發都高10倍以上。這類極端事件不僅展現了恒星活動的劇烈程度，也為系外行星的宜居性研究提供了新的窗口。

圖2 2017年9月6日，太陽X9.3級耀斑圖像(來源：中國科學院國家空間科學中心，拍攝衛星：SDO/AIA)

03

為什么恒星會“發脾氣”？

恒星“發脾氣”是因為“壓力”太大，這個“壓力”來自它內部的磁場。我們可以把恒星的磁力線想象成很多捆縛它的橡皮筋，當恒星自轉時，恒星內部的等離子體對流和較差自轉(赤道和兩極自轉速度不同)會不斷扭曲磁力線，這些“橡皮筋”會被越扭越緊，使得磁場能量持續積累。當磁場應力超過臨界值時，“橡皮筋”繃不住突然斷裂，就會發生“磁重聯”過程，將儲存的磁能轉化為等離子體的動能和熱能，從而產生劇烈的耀發現象。在這一過程中，紅矮星表現得尤為活躍。這類恒星具有完全對流的內部結構，加上緩慢的自轉速度衰減，使其能夠長期維持強磁場活動，觀測上表現為頻繁且劇烈的耀發活動。

04

對周圍行星和生命的影響

太陽活動對地球的影響呈現出顯著的強度梯度，普通太陽耀斑對地球的影響相對較小，就像一次“電磁按摩”：除了帶來絢麗的極光景觀外，主要表現為短時間的通信干擾。而當太陽耀斑增強到X級時，其對現代文明的破壞力則變得不可小覷：1859年的卡林頓事件使全球電報系統陷入混亂；1989年地磁暴導致加拿大魁北克省電網崩潰，900萬居民陷入長達9小時的黑暗[4]；2003年“萬圣節太陽風暴”期間，全球約50%的衛星出現異常，海事緊急通信系統失效，珠穆朗瑪峰探險隊與外界失聯，GPS定位精度下降，航空運輸系統遭到不同程度的破壞，瑞典南部5萬居民電力供應中斷等[5]。當今時代深度依賴空間技術，強烈太陽活動引發的空間天氣擾動正在各個關鍵領域顯現其破壞力：從航天器安全到航空導航，從移動通信到電網運行，從油氣管道到金融交易系統，幾乎現代社會的每個重要支柱都面臨著太陽活動的潛在威脅。這種威脅隨著人類科技水平的提升而不斷放大，使得空間天氣監測和預警變得前所未有的重要。

然而，與恒星的超級耀發相比，太陽的這些活動簡直微不足道。在一些存在行星系統的宿主恒星上，此類極端事件釋放的能量可比卡林頓事件高出上萬倍，帶來的強電離輻射和高能粒子可以極大地改變行星大氣的化學組成，并完全摧毀類地行星的臭氧層，對生命活動產生災難性的影響[6]。頻繁發生的耀發將快速加熱行星大氣并使其逃逸，導致行星大氣層被徹底剝離，而強烈的紫外線爆發足以滅絕地表任何可能的微生物生命。以比鄰星b為例，這顆位于宜居帶的系外行星因為比鄰星頻繁的耀發可能已變為“生命禁區”。另一方面，演化早期的恒星活動對于生命形成可能扮演著另一種重要的角色：有研究表明，早期太陽頻繁的星冕物質拋射可能導致地球磁層壓縮，高能粒子得以進入大氣，與N2、CO2、CH4等氣體發生化學反應，產生N2O等溫室氣體，以及其他形成生命必需的化合物[7]。特別值得注意的是，年輕恒星的耀發活動更為劇烈，這些“恒星嬰兒”頻繁爆發的超級耀發，不僅能量遠超其恒星風，還會顯著改變原行星盤的化學組成和運動狀態，對行星形成過程產生決定性影響[8]。因此，深入研究恒星的耀發特性，不僅有助于理解行星形成機制，更為系外生命搜尋提供了重要線索，對尋找宇宙中的“第二地球”具有重大科學意義。

05

我國天文學家發現史上最強恒星X射線耀發

2022年11月7日，我國天文學家通過“天關”衛星(愛因斯坦探針)[9]探路者萊婭(LEIA)X射線望遠鏡[10，11]，觀測到了一次破紀錄的恒星X射線耀發事件(圖3)。這次耀發發生在距離地球1600光年的晚型巨星HD 251108上，其X射線亮度峰值達到驚人的1.1×1034 erg/s，是這顆恒星平時亮度的60倍，相當于太陽X射線亮度的百萬倍！更令人驚訝的是，這次耀發持續了約40天，創造了恒星X射線耀發持續時間的新紀錄。該研究成果近期發表于

The Astrophysical Journal

圖3　恒星HD251108的超級耀發想象圖(來源：EP科學中心/OPENVERSE)

為了全面研究這一罕見現象，國際天文團隊調動了包括LEIA、Swift/XRT、NICER以及麗江2.4米光學望遠鏡在內的多臺先進設備，在X射線、紫外和光學等多個波段進行了協同觀測。由于恒星距離遙遠，科學家們雖然無法直接“看見”耀發的具體位置和演化細節，但通過光譜和光變曲線這兩個天文研究的得力工具，成功揭示了這次超級耀發的物理過程。

研究團隊發現，這次耀發的X射線光譜需要兩個溫度成分才能完美擬合，表明輻射來自兩種不同溫度的等離子體：一種是彌散在恒星星冕中的較冷等離子體，另一種則是被束縛在耀發磁環結構中的超高溫等離子體。光變曲線分析顯示，除了典型的“快速上升—緩慢下降”模式外，在下降階段還出現了一個明顯的“拐折”，暗示著耀發冷卻過程發生了轉變(圖4)。

圖4　此次超級耀發的X射線波段光變曲線綜合了LEIA、NICER和Swift/XRT三臺高能空間望遠鏡的觀測數據，展現出持續近40天的復雜衰減特征：前期快速下降，后期轉為平緩衰減，并在過渡階段呈現明顯的“拐折”現象；通過雙分量耀發 模型(紅色實線)的擬合表明，該光變曲線可由兩個經典耀發衰減輪廓(黑色虛線)疊加完美再現[12]

通過深入分析，科學家們還原了這次超級耀發的完整物理過程：首先是恒星表面活躍區發生大規模磁重聯，能量在巨大磁環結構中劇烈釋放；隨著主要能量釋放完成，殘余能量又“點燃”了一系列次級磁環結構，形成類似太陽耀斑中觀測到的磁拱廊。計算表明，這次耀發在0.5—4.0 keV波段釋放的總能量高達3×1039 erg，可能是迄今觀測到的最劇烈的恒星X射線耀發。更驚人的是，引發耀發的原始磁環長度估計達到2000萬公里，相當于地球半徑的3000倍，甚至達到了恒星本身半徑的2倍！

為什么HD 251108會發生如此劇烈的耀發？進一步研究發現，這顆恒星本身就具有異常活躍的星冕，其活動水平存在以年為單位的長期變化。這次超級耀發恰好發生在恒星活動逐漸增強的時期，表面活動區不斷擴大，磁場活動日益劇烈，為極端耀發的產生創造了理想條件。這項研究不僅刷新了我們對恒星高能活動的認知，也為理解恒星磁活動演化提供了重要案例。

“天關”衛星(圖5)是中國科學院空間科學先導專項(二期)任務之一，由中國科學院主導，聯合歐洲航天局、德國馬克斯·普朗克研究所和法國宇航局等機構研制。其試驗模塊“萊婭”由中國科學院國家天文臺與上海技術物理研究所聯合開發，采用國家天文臺2011年自主研發的龍蝦眼X射線成像技術，并聯合北方夜視公司研制了其光學器件。該模塊搭載于微小衛星創新研究院研制的首顆新技術試驗衛星SATech-01，于2022年7月27日發射。

圖5 “天關”衛星示意圖

06

展 望

通過理論與實驗的通力合作，作者們得到了自旋超固態的可靠證據[12，13]。地球在宇宙中是唯一的生命星球嗎？恒星活動對其周圍的行星有什么影響？太陽會不會發生足以摧毀人類文明的超級耀發？這些問題長期困擾著我們。為此，國際天文界已部署了多個空間觀測設備。在光學波段，開普勒和TESS等衛星通過長期監測恒星的光學光變曲線探測系外行星，意外成為恒星耀發研究的重要工具，目前已發現大量的耀發事件，極大豐富了我們對不同類型恒星耀發規律的認識。而我國自主研制的“天關”衛星將在X射線波段帶來革命性突破，其寬視場X射線望遠鏡(WXT)憑借超高靈敏度和巡天能力，預計將在軟X射線波段發現更多更有趣的耀發事件，構建有史以來最豐富的恒星X射線數據庫，為研究耀發物理機制、評估行星宜居性等提供重要的觀測支持。

參考文獻

[1] Carrington R C. MNRAS，1859，19：81

[2] Brosius J W，Inglis A R. ApJ，2018，867：85

[3] Howard W S et al. ApJL，2018，860：L30

[4] Kappenman J G et al. Eos，Transactions American Geophysical Union，1997，78：37

[5] Thomson N R，Rodger C J，Dowden R L. Geophysical Research Letters，2004，31：L06803

[6] Tilley M A et al. Astrobiology，2019，19：64

[7] Airapetian V S et al. Nature，2016，9：452

[8] Getman K V，Feigelson E D. ApJ，2021，916：32

[9] Yuan W et al. Sci. China：Phys. Mech. Astron.，2025，68：239501

[10] Zhang C et al. ApJL，2022，941：L2

[11] Ling Z X et al. RAA，2023，23：095007

[12] Mao X et al. ApJ，2025，980：268

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