1989年3月13日，當魁北克水電公司的電網崩潰時，停電使整個魁北克省——超過六百萬人——陷入黑暗數小時。該事件是由一場猛烈的風暴引發的，但這場風暴並非地球製造。相反，源頭是太陽：我們最近的恆星釋放出大量高能粒子和輻射，對我們的技術基礎設施造成了嚴重破壞。
然而，科學家們現在知道，那次事件並非偶然。它也並非特別強大。對從樹木年輪收集的證據進行的仔細分析表明，類似但規模更大的衝擊波在相對較近的過去曾多次襲擊地球。長期以來，研究人員一直認為我們恆星有時會發生的極端活動是這些更大事件的罪魁禍首，但結合了樹木生理學和地球碳迴圈的新研究挑戰了太陽風暴是罪魁禍首的觀點。
這種思維方式的轉變大約始於十年前，當時宇宙射線物理學家宮宅芙紗（Fusa Miyake）開始分析在日本屋久島砍伐的長壽雪松的木材。當時是日本名古屋大學研究生的宮宅女士，正在一絲不苟地從樹木年輪中提取富含碳的纖維素，每個年輪通常記錄了不到一毫米跨度內整整一年的生長情況。她的目標是測量碳 14 的含量——碳的一種放射性同位素通常用於考古文物的年代測定。
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碳 14，也稱為放射性碳，是在地球上自然產生的，當太陽、其他恆星和各種宇宙災難釋放的高能輻射和粒子與地球高層大氣中的原子（最顯著的是氮）相互作用時產生。放射性碳也是人類活動的副產品——在20世紀中期冷戰時代的原子武器試驗鼎盛時期，該同位素的大氣濃度翻了一番，當時美國和其他國家在大氣層中引爆了數百枚核彈。
放射性碳僅佔地球空氣、水和岩石中迴圈碳的極小一部分，約為萬億分之一。但這仍然足以讓該物質的可檢測痕跡在樹木和其他進行光合作用的植物中積累，這些植物從空氣中吸取它，以放射性同位素標記的二氧化碳的形式存在。這使得樹木的年度生長輪成為當地環境條件和主要大氣化學成分的逐年記錄，並允許科學家使用古老的、儲存完好的木材來探測數千年前的情況。
自 1950 年代以來，研究人員就知道樹木年輪中放射性碳的濃度隨時間變化。但直到最近，放射性碳分析仍需要相對大量的纖維素，因此大多數測量都是基於五年甚至十年的樹木年輪。早期的研究表明，大約在八世紀後期大氣碳 14 顯著增加，宮宅女士受到啟發，開始檢查公元 750 年至 820 年的單個樹木年輪。她使用了一種稱為加速器質譜法的靈敏技術來檢測微量的放射性碳，她希望這將有助於揭示此類事件可能發生的時間和原因。
丹麥奧胡斯大學的物理學家耶斯珀·奧爾森（Jesper Olsen）說，許多人沒有看到這項工作的意義，他沒有參與這項研究。“真的沒人認為這值得，”他說。
然而，宮宅女士的努力得到了回報，當資料顯示，在公元 775 年，碳 14 的濃度異常大幅增加。她和她的同事在 2012 年的《自然》雜誌上報告了這一發現。從那時起，研究人員在其他樹木年輪記錄中發現了更多的“宮宅事件”。六起事件——最古老的可追溯到公元前 7176 年——已得到特別充分的研究，宮宅事件已被用於限制各種歷史事件的時間，例如維京人抵達美洲的時間。但宮宅事件的起源仍然神秘。除了普遍認為它們是由某種天體物理過程引起的共識外，它們還被不同地歸因於太陽活動、附近超新星或中子星的輻射，甚至地球與彗星的近距離遭遇。
亞利桑那大學的地球科學家蒂姆·朱爾（Tim Jull）說，通常會引用巨大的太陽耀斑來解釋宮宅事件，他沒有參與這項研究。這種電磁輻射的爆發經常發生在太陽上，並且通常與高能粒子的爆發有關。但是，太陽活動與地球放射性碳波動記錄之間的這種聯絡被一個事實模糊了，即我們的太陽也起到了防禦作用：它的磁場有助於保護地球免受來自太陽系以外的高能粒子的侵襲，並可能減少而不是增加宇宙來源產生的放射性碳量。在 11 年太陽週期的高峰期，當太陽磁場最強時，這種遮蔽作用尤為明顯。
澳大利亞昆士蘭大學的天文學家本傑明·波普（Benjamin Pope）說，關於宮宅事件，一個確定的事實是：“它們是對到達地球的大量輻射爆發的探測。”研究人員現在知道，這些爆發超過了 1989 年襲擊魁北克水電公司電網的衝擊波。波普和他的同事最近分析了來自四大洲 60 多棵樹木的放射性碳記錄，以尋找這些神秘且令人擔憂的訊號的性質和可能來源。該團隊的驚人結果於去年年底發表在《英國皇家學會會刊 A》上，這些結果使對宮宅事件本已模糊不清的理解更加混亂。
將一系列放射性碳測量值繪製為時間的函式，宮宅事件看起來很像一個懸崖，一面幾乎是垂直的，而另一面則平緩得多。大多數宮宅事件都非常迅速地上升——通常在單個樹木年輪的跨度內——然後在 10 到 20 年內消退。但這種結局並非由於同位素的放射性衰變，放射性衰變發生在數千年而不是數十年。相反，這是地球碳（無論是放射性的還是非放射性的）在環境中不斷迴圈的結果，波普說。“它在碳迴圈中迴圈，”他補充道。大氣中產生放射性碳爆發後，它最終會被埋藏在海底的沉積物中。
波普和他的同事意識到，要更好地瞭解宮宅事件的時間和持續時間，就需要更好地核算在全球碳迴圈中移動的放射性碳。研究人員轉向了所謂的碳箱模型，該模型由微分方程系統組成，這些方程規定了碳如何在地球的大氣層、生物圈、海洋和其他儲層中擴散。波普說，這些模型都在試圖回答一個基本問題。“如果你向大氣中投入一點放射性碳，它會去哪裡，什麼時候去？”
波普和他的團隊首先生成了一組模擬的宮宅事件，每個事件的開始日期、跨度和強度略有不同。然後，他們將模擬資料輸入到幾個不同的碳箱模型中，並將輸出結果與從樹木年輪獲得的真實放射性碳測量值進行比較，從而收斂於每個宮宅事件的最佳擬合引數集。
根據這項分析，大多數宮宅事件似乎與短暫的、幾乎瞬時的放射性碳產生“尖峰”相符。然而，有兩起事件似乎持續時間較長。研究人員得出結論，其中一起特別的事件發生在公元前 663 年，持續了大約三年。波普說，這令人困惑，因為太陽耀斑、日冕物質拋射和太陽的其他爆發通常只持續幾天或幾周。他說，如此短暫的高能粒子爆發大概會被捕獲在一個樹木年輪中，而樹木年輪是在一年內形成的。因此，發現多年訊號的證據相當令人困惑。“天知道發生了什麼，”波普打趣道。
但米勒斯維爾大學的太陽物理學家塔米莎·斯科夫（Tamitha Skov）說，也許有一種解釋不需要放棄太陽的快速爆發，她沒有參與這項研究。她說，答案可能在於地球磁場的複雜性。高能粒子可能會被困在那裡，在大部分大氣層上方數千公里處——足夠高，以至於需要幾年時間才能滴落下來並形成放射性碳。斯科夫說，這也許可以解釋為什麼一些宮宅事件看起來持續時間如此之長。她說，也許“其中一些持續時間較長的事件可能是一個持續時間較短的來源”。
朱爾說，對延長的宮宅事件的另一種解釋可能僅僅是樹木生理學。他說，當樹木在春天開始生長時，在某些情況下，它們依賴於已經儲存在細胞內的營養物質。朱爾說，當人們觀察樹木年輪時，這可能會導致看似短暫的事件（例如放射性碳脈衝）隨著時間的推移而顯得模糊。“在新訊號和舊訊號之間存在一些混合，”朱爾說。
當然，波普和他的同事承認，多年宮宅事件完全有可能在時間上真正延長。2020 年，另一個研究團隊（包括宮宅芙紗）提出，在幾年內反覆發生的一系列太陽耀斑可能是罪魁禍首。
波普和他的團隊也對宮宅事件相對於太陽週期的精確時間感興趣。研究人員已經表明，太陽耀斑在太陽極大期附近發生的可能性大約是在太陽極小期附近的四倍，因此宮宅事件可能聚集在太陽週期的峰值附近是有道理的，波普說。“我希望做的是說這些都發生在太陽極大期，”他補充道。但該團隊反而發現，這些事件都沒有與太陽週期的峰值同步。
然而，其他研究人員仍然認為宮宅事件與太陽有關。“對我來說，它們沒有與太陽週期的高峰期對齊，這根本不足為奇，”科羅拉多大學博爾德分校的地球物理學家德洛雷斯·克尼普（Delores Knipp）說，她沒有參與這項研究。畢竟，她指出，太陽完全有能力在太陽極大期以外的時間向地球發射高能粒子。“我們知道，大多數到達地球的日冕物質拋射——它們通常是太陽高能粒子事件的主要驅動因素——傾向於出現在太陽週期高峰期之後，”克尼普說。
波普和他的同事假設，另一種想法是宮宅事件與太陽週期弱於平均水平有關。科學家們已經發現，在公元前 5480 年左右的樹木年輪中，放射性碳增加了十年。雖然通常不被認為是宮宅事件，但其他研究人員提出，該訊號可能是由太陽活動極度微弱時期引起的。太陽弱於平均水平的磁場將允許更多來自星際空間的高能粒子在那段時間到達地球。
樹木年輪也不是尋找宮宅事件答案的唯一場所。一些研究人員已轉向冰芯記錄，以尋找鈹 10 和氯 36——這兩種同位素與放射性碳一樣，是在大氣中由高能現象產生的。澳大利亞核科學與技術組織的物理學家安德魯·史密斯（Andrew Smith）研究南極冰芯中的此類同位素。從冰川或冰蓋深處鑽取的冰芯，每隔幾十釐米就可以捕捉到過去一年時間的資訊，為研究人員提供了更多材料來確定古代事件的時間。與樹木年輪的年度時間解析度相比，這允許以月為單位進行測量。史密斯和他的同事目前正在分析來自冰芯的資料，並考慮了宮宅事件。
宮宅事件及其起源仍然是神秘的——並且可能仍然如此，直到最終用科學儀器記錄下來為止。但波普說，也許那不是我們應該期望的未來。畢竟，強度足以在樹木年輪中顯示的宇宙衝擊波可能會對環繞地球的數千顆衛星造成災難性影響。波普說，它們的敏感電子裝置基本上會被燒燬，這可能會對導航和通訊領域產生連鎖反應，而導航和通訊技術是我們現代社會中理所當然的技術。他說，如果——或者當——下一次宮宅事件發生時，“祝電信業好運。”