星际迷航：NASA研究揭示太阳古老历史如何塑造地球

在我们太阳系的中心，太阳影响着每一颗绕其运行的行星。在最近两项由NASA资助的研究中，科学家们发现了太阳历史中的古老事件可能如何帮助创造了地球独特的气候，并驱动了此前无法解释的气候变化。

在新的研究中，NASA的SHIELD（太阳风氢离子电荷交换与大尺度动力学）中心——NASA的DRIVE（多元化、实现、整合、冒险、教育）科学中心之一——的科学家们追踪了日光层（heliosphere）的轨迹。日光层是太阳创造的巨大气泡，包裹着我们的太阳系，它在穿越银河系时沿途影响了地球的气候。在另一篇论文中，一位NASA科学家及其合著者研究了较年轻、较暗淡的太阳如何通过促进强效温室气体的产生来加热地球。

移动的太阳

在过去数千万年中，地球的气候经历了显著变化，包括全球平均温度暂时下降数度的显著冰期。在这些时期，更频繁的气候波动导致地球变暖和变冷。为了解释这些变暖和变冷时期，科学家们着眼于地球内部的因素，包括轨道变化、温室气体和冰。但新的研究表明，太阳环境的变化可能是理解地球温度波动的关键。

正如我们的星球被大气层包裹一样，我们整个太阳系也被一种由太阳创造的“大气层”所包裹。这个保护性气泡被称为日光层，由太阳向四面八方流出的带电粒子连续太阳风形成。

我们的日光层围绕我们银河系的中心——银河系——运行。在太阳46亿年的存在中，我们的日光层穿越了银河系内的各个区域。在8月21日发表在《天文学与天体物理学年度评论》上的一篇论文中，NASA的SHIELD研究人员使用计算机建模逆向工程了日光层穿越银河系的路径，揭示它经过的环境可能引发了地球上的变化。

SHIELD的首席研究员、波士顿大学的Merav Opher及其团队进行的模拟显示，太阳在过去几百万年中至少三次遇到了寒冷的广阔气体和尘埃。在这些情况下，巨大的星际“冷云”挤压日光层，使其缩小到比地球轨道还小，使我们的星球暴露在太阳保护盾之外。

这些暴露——大约在200万至300万年前、600万至700万年前和1300万至1400万年前——将使地球大气层暴露在完全不同的环境中。模拟结果与地质证据相符：在这些时间线上，星际尘埃中普遍存在的元素出现在深海沉积物岩心样本、南极雪和月球样本中。

这些日光层崩溃事件也可能解释地球上的古代气候模式。在模拟中，当地球大气层暴露在寒冷、致密的银河氢云中时，它增加了水蒸气含量并改变了高层大气动力学，最终改变了地表条件。总之，我们的日光层穿越银河系较冷区域的旅行可能是驱动地球一些古代气候变化（包括可能的冰期）的关键因素。

研究太阳物理学的前沿

SHIELD中心是NASA资助的多个中心之一，旨在解锁下一代日光层研究。作为DRIVE科学中心，SHIELD组建了一个由不同专业知识、方法和观点组成的研究团队，开发日光层的模型或“数字孪生”，以帮助揭示日光层如何与其周围环境（包括密集的星际云）相互作用。理解我们独特的、可居住的太阳系将有助于解开地球生命进化的奥秘，并可能发现其他可居住的恒星系统。

年轻的太阳

在另一篇论文中，NASA戈达德太空飞行中心（位于马里兰州格林贝尔特）的科学家Vladimir Airapetian专注于一个长期存在的谜团：古代太阳如何使早期地球足够温暖以维持生命。30亿年前，年轻的太阳亮度仅为今天的70%。在这种较暗淡的条件下，地球本应完全冻结。然而地质证据表明，稳定的液态水在那之前很久就已存在。这个谜团——在较冷、较暗的太阳下温暖的地球——被称为“暗淡年轻太阳悖论”。

解决这个悖论的一个线索来自银河系其他地方的年轻类太阳恒星。这些“幼儿”恒星容易发脾气。具体来说，NASA已退役的开普勒太空望远镜的数据显示，年轻的类太阳恒星经常爆发巨大的超级耀斑，每天向各个方向抛射高能粒子。Airapetian提出，如果我们的年轻太阳像这些恒星一样，那么高能太阳粒子的轰击可能触发了对早期地球变暖至关重要的化学反应。

Airapetian的团队在密封室中模拟了早期地球的大气，混合了分子氮、氨、二氧化碳和一氧化碳。然后他们向混合物中发射质子，模拟超级耀斑的粒子轰击。这种质子轰击触发了多种变化，包括产生一氧化二氮，一种比二氧化碳强300倍的温室气体。该研究发表在《天体物理学杂志快报》上。

这种一氧化二氮可以帮助地球保持热量。但并非所有一氧化二氮都会持续存在。年轻太阳强烈的紫外线辐射会分解其中一部分，将分子分裂回氮和氧。但即使实验中观察到的一氧化二氮只有10%存活下来，Airapetian团队的计算机模拟也证实，它仍会将地球赤道地区加热到约41华氏度（5摄氏度），高于水的冰点。这种少量的一氧化二氮甚至可能加速前生物合成：研究发现，略高于冰点的温度比更温暖的温度更有利于构建复杂的氨基酸链。

揭示我们恒星-行星系统的秘密

这两项研究共同表明，太阳对地球可能产生令人惊讶的影响。虽然我们的星球在许多方面独树一帜，但它是在恒星-行星系统中形成并一直存在的。理解这种独特的关系有望为地球和维持它的恒星提供新的见解。

• 作者：Desiree Apodaca* 和

Miles Hatfield****NASA戈达德太空飞行中心，马里兰州格林贝尔特