早期太陽(yáng)比現(xiàn)在更大嗎

晨風(fēng)

標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為在過(guò)去太陽(yáng)更加“年輕”時(shí)，其亮度相比現(xiàn)在更加暗弱。那么該如何解釋地球在早期歷史上經(jīng)歷的反常高溫呢？這對(duì)于古氣象學(xué)家們來(lái)說(shuō)似乎并不是一個(gè)容易回答的問(wèn)題。近期有一組科學(xué)家對(duì)此提出了一種新的選項(xiàng)，他們認(rèn)為當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)要比我們之前所認(rèn)為的更大，也因此更亮一些。

弱太陽(yáng)佯謬

對(duì)于大多數(shù)恒星來(lái)說(shuō)，隨著時(shí)間推移，其亮度會(huì)逐漸增加。這是因?yàn)殡S著時(shí)間推移，其核心密度會(huì)變得越來(lái)越高，也越來(lái)越熱。假設(shè)我們的太陽(yáng)同樣遵循著這一路徑，那么我們將可以反推得出結(jié)論：45億年前的太陽(yáng)，其亮度要比現(xiàn)在暗大約30%。賓夕法尼亞州立大學(xué)的斯坦恩·賽格蒂森說(shuō)：“這個(gè)暗弱的年輕太陽(yáng)讓我們陷入兩難境地，因?yàn)檫@樣一來(lái)地球和火星的溫度就太低了，液態(tài)水將無(wú)法存在。”

這種情況似乎并沒(méi)有發(fā)生。地質(zhì)學(xué)紀(jì)錄顯示，早在大約44億年前就已經(jīng)存在廣闊的海洋。在火星，科學(xué)家們同樣已經(jīng)得到證據(jù)顯示，在40多億年前這里是一個(gè)遠(yuǎn)比現(xiàn)在溫暖潮濕的星球。

這就是所謂的“弱早期太陽(yáng)佯謬”。為了避免這一悖論，科學(xué)家們?cè)谶^(guò)去的25年間曾經(jīng)嘗試將太陽(yáng)從這一標(biāo)準(zhǔn)演化進(jìn)程中移除。他們意識(shí)到，只要在太陽(yáng)的初始質(zhì)量值稍稍增加一點(diǎn)，這個(gè)早期太陽(yáng)提供的熱量便將足以確保在地球和火星上存在適宜液態(tài)水存在的溫度范圍。但是這一假設(shè)同樣存在嚴(yán)重缺陷，那就是太陽(yáng)將需要處于某種原因產(chǎn)生出極其劇烈的太陽(yáng)風(fēng)，并將這些多余的質(zhì)量“吹走”，只留下我們今天所觀察到的“正常質(zhì)量”。

現(xiàn)在，賽格蒂森和他的同事們著手重新審視這一問(wèn)題。在美國(guó)宇航局天體生物學(xué)研究院的資助下，他們將使用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的計(jì)算機(jī)模型和最新的太陽(yáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)不同的情況進(jìn)行對(duì)比，并搜尋任何顯示太陽(yáng)在過(guò)去曾經(jīng)發(fā)生過(guò)這種大幅度質(zhì)量下降事件的證據(jù)。

超級(jí)溫室效應(yīng)

不出所料的，這種更大質(zhì)量年輕太陽(yáng)的假說(shuō)目前并未獲得廣泛的關(guān)注。美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)月球和行星實(shí)驗(yàn)室(LPL)的瑞諾·馬爾宏特：“我認(rèn)為這是一個(gè)不錯(cuò)的假說(shuō)，但是它尚未能獲得主流氣象學(xué)界的廣泛認(rèn)可。” 馬爾宏特本人并未參與這項(xiàng)研究工作。

對(duì)于這一問(wèn)題，目前主流的觀點(diǎn)是由著名的天文學(xué)家卡爾·薩根和喬治·馬倫最先提出的一種“超級(jí)溫室效應(yīng)”假說(shuō)。

早在1972年，當(dāng)薩根和馬倫同在康奈爾大學(xué)工作期間，他們注意到了這一佯謬，于是便開(kāi)始設(shè)法嘗試解決這一問(wèn)題。他們提出早期地球大氣中含有大量的氨氣，這是一種強(qiáng)效的溫室效應(yīng)氣體。它會(huì)捕獲大量熱量，并以此讓地球大氣升溫。然而這一理論的問(wèn)題在于，后來(lái)進(jìn)行的研究顯示，來(lái)自太陽(yáng)的紫外線會(huì)很快就清除掉大氣中的這些氨氣成分。

現(xiàn)在大部分模型都會(huì)轉(zhuǎn)而假設(shè)早期地球大氣中富含二氧化碳，其濃度是現(xiàn)在水平的100倍。這種二氧化碳濃度將足以引發(fā)嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。然而，這一假設(shè)并不能得到地質(zhì)學(xué)紀(jì)錄的確證，地質(zhì)學(xué)家們指出，菱鐵礦——一種主要形成于高二氧化碳含量環(huán)境的含鐵礦物，在地球最古老的地層中是缺失的。

即便有人能夠找出足夠的溫室氣體來(lái)幫助地球保持溫暖，對(duì)于火星的問(wèn)題依舊將面對(duì)困境。相比地球，火星到太陽(yáng)的距離要遠(yuǎn)得多，如此一來(lái)這顆星球如果也想保證液態(tài)水可以存在的溫度，那么它將更需要強(qiáng)烈的多的溫室效應(yīng)。但是這一假設(shè)似乎是說(shuō)不通的：要達(dá)成這樣的目標(biāo)，火星將需要極其大量的二氧化碳?xì)怏w，其數(shù)量甚至多到火星上將開(kāi)始出現(xiàn)二氧化碳成分的云層，而這些云層將開(kāi)始反射太陽(yáng)光而不是捕獲它們，最終導(dǎo)致火星降溫而不是升溫。賽格蒂森說(shuō)：“對(duì)于火星來(lái)說(shuō)，溫室效應(yīng)假說(shuō)是行不通的。但是看起來(lái)地球化學(xué)家們還并不打算放棄。”

發(fā)生變化的太陽(yáng)風(fēng)

這樣的理論困境讓解決這一問(wèn)題的大門(mén)對(duì)各種假設(shè)都敞開(kāi)著。不過(guò)看起來(lái)這扇門(mén)并不夠?qū)挸ǎ袷且簧却白印Ｏ惹暗难芯恳呀?jīng)將太陽(yáng)質(zhì)量的增加幅度限制在2%~5%之間。任何小于這一數(shù)值的結(jié)果是地球?qū)o(wú)法獲得足夠的溫度維持其液態(tài)水的存在；而任何高出這一數(shù)值的情形則將導(dǎo)致太陽(yáng)沿著一條完全不同的道路演化。

賽格蒂森的小組嘗試使用一種被稱(chēng)作“MESA”的全新恒星演化模型進(jìn)行計(jì)算。這種模型相比原先的模型更加復(fù)雜。其原始代碼是由基利物理研究所的比爾·帕克斯頓和他的同事們開(kāi)發(fā)的。

除了質(zhì)量之外，研究人員們還可以調(diào)整其他一些參數(shù)，如太陽(yáng)初生時(shí)的相對(duì)元素富集度，以及太陽(yáng)內(nèi)部的震蕩程度。賽格蒂森說(shuō)：“我們現(xiàn)在擁有比以前多得多的數(shù)據(jù)可以用來(lái)縮小模型的范圍。”其中最為棘手的問(wèn)題在于如何引入某種劇烈太陽(yáng)風(fēng)吹走多余太陽(yáng)質(zhì)量的機(jī)制。

假設(shè)我們現(xiàn)在觀測(cè)到的太陽(yáng)風(fēng)強(qiáng)度在整個(gè)太陽(yáng)的生命周期內(nèi)都是恒定的，那么太陽(yáng)的質(zhì)量損失率只能達(dá)到0.05%左右。不過(guò)大多數(shù)科學(xué)家都相信在太陽(yáng)的早期階段太陽(yáng)風(fēng)的強(qiáng)度要比現(xiàn)在強(qiáng)得多，至于究竟強(qiáng)多少則仍然存在爭(zhēng)議。

賽格蒂森指出，為了達(dá)到維持行星適宜溫度，又不會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)演化失衡，太陽(yáng)必須在其誕生后最初的數(shù)億年內(nèi)將多余的質(zhì)量清除掉。這就意味著當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)風(fēng)強(qiáng)度必須達(dá)到現(xiàn)在水平的1000倍。

美國(guó)哈佛大學(xué)的索倫·梅波表示：“你或許會(huì)聽(tīng)到人們?cè)u(píng)價(jià)說(shuō)這樣的情況不太可能發(fā)生，但是我們的確需要更好的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步完善我們的模型。”

天文學(xué)家已經(jīng)注意到，在宇宙中那些大質(zhì)量和小質(zhì)量的恒星上存在劇烈的星風(fēng)，而質(zhì)量中等的恒星，如我們的太陽(yáng)則相對(duì)平靜一些。

馬爾宏特說(shuō)：“對(duì)于一個(gè)大質(zhì)量年輕太陽(yáng)的假說(shuō)，要想在宇宙中觀測(cè)到強(qiáng)有力的觀測(cè)證據(jù)非常困難。因?yàn)橄襁@樣年輕的類(lèi)太陽(yáng)恒星，其早期的質(zhì)量損失發(fā)生起來(lái)是非常迅速的。”

尋找證據(jù)

如果太陽(yáng)確實(shí)在其早期階段損失了很大一部分質(zhì)量，我們應(yīng)當(dāng)可以在太陽(yáng)系中找到一些反映這一事件的蛛絲馬跡。如一些隕石內(nèi)部似乎顯示存在一些晶格損壞，這或許是強(qiáng)烈太陽(yáng)風(fēng)作用的結(jié)果，但是究竟這種強(qiáng)度有多強(qiáng)尚無(wú)法定論。

在2007年，馬爾宏特和當(dāng)時(shí)在普渡大學(xué)工作的大衛(wèi)·明頓一起，試圖對(duì)太陽(yáng)系的軌道動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行考察，他們想了解這其中是否隱藏著有關(guān)早期大質(zhì)量太陽(yáng)的相關(guān)線索。比如，由于太陽(yáng)的質(zhì)量比現(xiàn)在大，其引力也相應(yīng)地比現(xiàn)在強(qiáng)，那么在其強(qiáng)大引力的作用下，其周?chē)男行蔷蛻?yīng)當(dāng)運(yùn)行在比現(xiàn)在更加靠近太陽(yáng)的位置。但是他們研究的結(jié)果顯示，這樣的軌道變動(dòng)似乎太小了，不足以顯示出任何有用的線索。

根據(jù)馬爾宏特和明頓的觀點(diǎn)，要想通過(guò)軌道動(dòng)力學(xué)角度考察這一理論假設(shè)，最好的切入點(diǎn)莫過(guò)于對(duì)那些太陽(yáng)系中的不規(guī)則衛(wèi)星進(jìn)行研究，木星和土星擁有大量這種衛(wèi)星，如土衛(wèi)九和木衛(wèi)六等。這些衛(wèi)星共同的特點(diǎn)在于：形狀不規(guī)則，軌道距離行星較遠(yuǎn)且具有大傾角。

而賽格蒂森工作的目標(biāo)是著眼于太陽(yáng)本身，試圖從中找出一些有用的線索。他們希望最新的日震學(xué)探測(cè)技術(shù)可以找到一些證據(jù)，所謂日震學(xué)就是研究太陽(yáng)內(nèi)部產(chǎn)生的震蕩現(xiàn)象的科學(xué)。

他說(shuō)：“太陽(yáng)的核心或許將為我們提供一些啟示。”