早期太阳比现在更大吗

　　标准模型认为在过去太阳更加“年轻”时，其亮度相比现在更加暗弱。那么该如何解释地球在早期历史上经历的反常高温呢？这对于古气象学家们来说似乎并不是一个容易回答的问题。近期有一组科学家对此提出了一种新的选项，他们认为当时的太阳要比我们之前所认为的更大，也因此更亮一些。 　　弱太阳佯谬 　　对于大多数恒星来说，随着时间推移，其亮度会逐渐增加。这是因为随着时间推移，其核心密度会变得越来越高，也越来越热。假设我们的太阳同样遵循着这一路径，那么我们将可以反推得出结论：45亿年前的太阳，其亮度要比现在暗大约30%。宾夕法尼亚州立大学的斯坦恩·赛格蒂森说：“这个暗弱的年轻太阳让我们陷入两难境地，因为这样一来地球和火星的温度就太低了，液态水将无法存在。” 　　这种情况似乎并没有发生。地质学纪录显示，早在大约44亿年前就已经存在广阔的海洋。在火星，科学家们同样已经得到证据显示，在40多亿年前这里是一个远比现在温暖潮湿的星球。 　　这就是所谓的“弱早期太阳佯谬”。为了避免这一悖论，科学家们在过去的25年间曾经尝试将太阳从这一标准演化进程中移除。他们意识到，只要在太阳的初始质量值稍稍增加一点，这个早期太阳提供的热量便将足以确保在地球和火星上存在适宜液态水存在的温度范围。但是这一假设同样存在严重缺陷，那就是太阳将需要处于某种原因产生出极其剧烈的太阳风，并将这些多余的质量“吹走”，只留下我们今天所观察到的“正常质量”。 　　现在，赛格蒂森和他的同事们着手重新审视这一问题。在美国宇航局天体生物学研究院的资助下，他们将使用经过改进的计算机模型和最新的太阳观测数据来对不同的情况进行对比，并搜寻任何显示太阳在过去曾经发生过这种大幅度质量下降事件的证据。 　　超级温室效应 　　不出所料的，这种更大质量年轻太阳的假说目前并未获得广泛的关注。美国亚利桑那州立大学月球和行星实验室(LPL)的瑞诺·马尔宏特：“我认为这是一个不错的假说，但是它尚未能获得主流气象学界的广泛认可。” 马尔宏特本人并未参与这项研究工作。 　　对于这一问题，目前主流的观点是由著名的天文学家卡尔·萨根和乔治·马伦最先提出的一种“超级温室效应”假说。 　　早在1972年，当萨根和马伦同在康奈尔大学工作期间，他们注意到了这一佯谬，于是便开始设法尝试解决这一问题。他们提出早期地球大气中含有大量的氨气，这是一种强效的温室效应气体。它会捕获大量热量，并以此让地球大气升温。然而这一理论的问题在于，后来进行的研究显示，来自太阳的紫外线会很快就清除掉大气中的这些氨气成分。 　　现在大部分模型都会转而假设早期地球大气中富含二氧化碳，其浓度是现在水平的100倍。这种二氧化碳浓度将足以引发严重的温室效应。然而，这一假设并不能得到地质学纪录的确证，地质学家们指出，菱铁矿——一种主要形成于高二氧化碳含量环境的含铁矿物，在地球最古老的地层中是缺失的。 　　即便有人能够找出足够的温室气体来帮助地球保持温暖，对于火星的问题依旧将面对困境。相比地球，火星到太阳的距离要远得多，如此一来这颗星球如果也想保证液态水可以存在的温度，那么它将更需要强烈的多的温室效应。但是这一假设似乎是说不通的：要达成这样的目标，火星将需要极其大量的二氧化碳气体，其数量甚至多到火星上将开始出现二氧化碳成分的云层，而这些云层将开始反射太阳光而不是捕获它们，最终导致火星降温而不是升温。赛格蒂森说：“对于火星来说，温室效应假说是行不通的。但是看起来地球化学家们还并不打算放弃。” 　　发生变化的太阳风 　　这样的理论困境让解决这一问题的大门对各种假设都敞开着。不过看起来这扇门并不够宽敞，而更像是一扇窗子。先前的研究已经将太阳质量的增加幅度限制在2%~5%之间。任何小于这一数值的结果是地球将无法获得足够的温度维持其液态水的存在；而任何高出这一数值的情形则将导致太阳沿着一条完全不同的道路演化。 　　赛格蒂森的小组尝试使用一种被称作“MESA”的全新恒星演化模型进行计算。这种模型相比原先的模型更加复杂。其原始代码是由基利物理研究所的比尔·帕克斯顿和他的同事们开发的。 　　除了质量之外，研究人员们还可以调整其他一些参数，如太阳初生时的相对元素富集度，以及太阳内部的震荡程度。赛格蒂森说：“我们现在拥有比以前多得多的数据可以用来缩小模型的范围。”其中最为棘手的问题在于如何引入某种剧烈太阳风吹走多余太阳质量的机制。 　　假设我们现在观测到的太阳风强度在整个太阳的生命周期内都是恒定的，那么太阳的质量损失率只能达到0.05%左右。不过大多数科学家都相信在太阳的早期阶段太阳风的强度要比现在强得多，至于究竟强多少则仍然存在争议。 　　赛格蒂森指出，为了达到维持行星适宜温度，又不会导致太阳演化失衡，太阳必须在其诞生后最初的数亿年内将多余的质量清除掉。这就意味着当时的太阳风强度必须达到现在水平的1000倍。 　　美国哈佛大学的索伦·梅波表示：“你或许会听到人们评价说这样的情况不太可能发生，但是我们的确需要更好的观测数据来进一步完善我们的模型。” 　　天文学家已经注意到，在宇宙中那些大质量和小质量的恒星上存在剧烈的星风，而质量中等的恒星，如我们的太阳则相对平静一些。 　　马尔宏特说：“对于一个大质量年轻太阳的假说，要想在宇宙中观测到强有力的观测证据非常困难。因为像这样年轻的类太阳恒星，其早期的质量损失发生起来是非常迅速的。” 　　寻找证据 　　如果太阳确实在其早期阶段损失了很大一部分质量，我们应当可以在太阳系中找到一些反映这一事件的蛛丝马迹。如一些陨石内部似乎显示存在一些晶格损坏，这或许是强烈太阳风作用的结果，但是究竟这种强度有多强尚无法定论。 　　在2007年，马尔宏特和当时在普渡大学工作的大卫·明顿一起，试图对太阳系的轨道动力学特征进行考察，他们想了解这其中是否隐藏着有关早期大质量太阳的相关线索。比如，由于太阳的质量比现在大，其引力也相应地比现在强，那么在其强大引力的作用下，其周围的行星就应当运行在比现在更加靠近太阳的位置。但是他们研究的结果显示，这样的轨道变动似乎太小了，不足以显示出任何有用的线索。 　　根据马尔宏特和明顿的观点，要想通过轨道动力学角度考察这一理论假设，最好的切入点莫过于对那些太阳系中的不规则卫星进行研究，木星和土星拥有大量这种卫星，如土卫九和木卫六等。这些卫星共同的特点在于：形状不规则，轨道距离行星较远且具有大倾角。 　　而赛格蒂森工作的目标是着眼于太阳本身，试图从中找出一些有用的线索。他们希望最新的日震学探测技术可以找到一些证据，所谓日震学就是研究太阳内部产生的震荡现象的科学。 　　他说：“太阳的核心或许将为我们提供一些启示。”