Nat Geosci:美NASA天文学家提出同时超级耀斑可能是生命起源的关键
2016年5月23日，国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Geoscience》在线发表了美国航空航天局Vladimir Airapetian研究员的一篇研究论文，研究指出超级耀斑对现在的地球来说是可怕的灾难，但对40亿年前的地球却可能是触发生命诞生的原动力。
在当代，如果强烈的太阳风暴袭击地球，它可能会完全摧毁现代科技并把我们打回到黑暗时代。幸运的是，这种事现在相当少见。不过40亿年前，这种极端的空间天气可能是家常便饭。而在那个时候，这非但不会带来世界末日，反而可能是开启生命的原动力。
这个惊人的结果源于美国航空航天局(NASA)的“开普勒”望远镜此前发现的一颗年轻类太阳恒星。研究发现，太阳这样的恒星刚形成时十分活跃，会在 “超级耀斑”出现时释放巨大的能量，与那时候比起来，现在最狂暴的空间天气也不过是“蒙蒙细雨”而已。
Vladimir Airapetian表示，如果我们的太阳40亿年前也如此活跃，可能会使地球的环境更加适宜居住。根据Airapetian的模型，当太阳超级耀斑产生的能量冲击地球大气时会引发化学反应，产生温室气体和其他生命存在所必须的成分。
Airapetian告诉Gizmodo，根据Carl Sagan 和George Mullen在1972年首次提出的“黯淡太阳悖论”，“四十亿年前，地球应该被冻得结结实实。”Sagan和Mullen在提出这个悖论时已经意识到地球上液态水存在的痕迹要早于40亿年前，而那时太阳的亮度只有现在的70%。“温室效应是唯一的解释。”Airapetian说。
在早期地球环境下，第一批生物分子——DNA、RNA和蛋白质是如何能得到足够的氮元素而形成的也是一个迷。和现今类似，原始地球的大气成分主要由惰性的氮气组成。现在固氮菌可以将氮气其转化成氨，但那时的生物没有这个能力。
一项关于空间天气的新研究非常巧妙地解决了这两个问题。几年前，Airapetian开始通过NASA的“开普勒”望远镜数据研究恒星磁场活动。他发现，像我们太阳一样的G型恒星在年轻的时候，就像炸弹一样频繁的释放相当于100万亿颗原子弹爆炸时能量脉冲。人类迄今为止经历过最强劲的太阳风暴是1859年造成全球性大停电的卡林顿事件，而这与前者相比根本不值一提。
“这是一股疯狂的能量，我自己几乎不能理解到底有多可怕。”康奈尔大学的天体生物学家Ramses Ramirez告诉Gizmodo，他虽然没有参与本次研究，但是在与Airapetian合作。
Airapetian很快意识到这项发现可以让我们了解到太阳系的早期历史。根据他的计算，40亿年前，我们的太阳几小时就会有爆发一次超级耀斑，地球的磁场每天都会被撕扯多次。“基本上，那时的地球经常遭受超卡林顿级别的太阳风暴的攻击。”他说。
利用数值模型，Airapetian证明太阳的超级耀斑足以将环绕地球的磁场强烈压缩。不仅如次，在地球两极附近，带电粒子能够把磁场轰出一个洞进入大气层，并与氮气，二氧化碳和甲烷碰撞。“这些粒子与大气分子相互作用，发生链式反应，生成一系列新的分子。”Airapetian说。
一副描绘太阳超级耀斑抛射出的大量高能粒子像暴雨一样撞击早期地球的艺术构想图。图片来源：Vladimir Airapetian
太阳与大气的相互作用会产生一氧化二氮(笑气)，这是一种比二氧化碳的作用强300倍的温室气体。Airapetian的模型指出，足够的一氧化二氮会使地球温度急剧上升。同时无尽的太阳风暴还会使大气生成氰化氢，它在地面成为早期生命必不可少的氮源。
“人们一直认为闪电或者陨石为生命提供含氮化合物，”Ramirez说，“我觉得这篇文章最酷的地方是在此之前没有人真正考虑过太阳风暴的影响。”
要最终确定超级耀斑产生的分子混合配方是否足够让生命诞生，还要交给生物学家做出判断。不过现在，实验已经开始。位于东京的地球生命科学研究所和其他实验室的研究人员正在使用Airapetian提出的模型设计新实验来模拟地球远古环境。如果这些实验能够创造出氨基酸或是RNA这种构成生命的基本分子，那么将极大地支持空间天气帮助创造生命这一观点。
除了把生命起源的故事拼接起来，Airapetian的模型还可以让我们一瞥40亿年前宜居的火星，尽管那时火星从年轻的太阳得到的辐射可能很少，但看来也是湿润。这项研究也对系外生命的研究有一定影响。
我们刚开始探究恒星的宜居带(该区域中的行星可能有液态水的存在)到底需要哪些条件。但现在对宜居带的判断还只是基于母星的亮度等因素。而通过收集恒星活动的细节信息，我们能更多地了解系外行星的大气组成和可能存在的温室效应。
“实验最终会告诉我们，从恒星而来的能量是否能创造生命必须的化学条件。”Airapetian说，“如果没有这些，形成生命才真是个奇迹。”
原文链接：
Prebiotic chemistry and atmospheric warming of early Earth by an active young Sun
原文摘要：
Nitrogen is a critical ingredient of complex biological molecules. Molecular nitrogen, however, which was outgassed into the Earth’s early atmosphere, is relatively chemically inert and nitrogen fixation into more chemically reactive compounds requires high temperatures. Possible mechanisms of nitrogen fixation include lightning, atmospheric shock heating by meteorites, and solar ultraviolet radiation. Here we show that nitrogen fixation in the early terrestrial atmosphere can be explained by frequent and powerful coronal mass ejection events from the young Sun—so-called superflares. Using magnetohydrodynamic simulations constrained by Kepler Space Telescope observations, we find that successive superflare ejections produce shocks that accelerate energetic particles, which would have compressed the early Earth’s magnetosphere. The resulting extended polar cap openings provide pathways for energetic particles to penetrate into the atmosphere and, according to our atmospheric chemistry simulations, initiate reactions converting molecular nitrogen, carbon dioxide and methane to the potent greenhouse gas nitrous oxide as well as hydrogen cyanide, an essential compound for life. Furthermore, the destruction of N2, CO2 and CH4 suggests that these greenhouse gases cannot explain the stability of liquid water on the early Earth. Instead, we propose that the efficient formation of nitrous oxide could explain a warm early Earth.
