建造太空磁屏蔽來抵禦太陽耀斑的威脅

【博科園-科學科普】在當今快節奏的現代社會，人類活動非常依賴於電力基礎設施。如果沒有電我們的計算機將會消亡，所有電子商務和通信形式將停止。但除此之外，人類在21世紀的活動也越來越依賴於位於近地軌道的基礎設施(LEO)。

除了目前在太空的許多通信衛星之外，還有國際空間站和一群GPS衛星。正是出於這個原因，太陽耀斑活動被認為是一種嚴重的危險，並將其作為一項優先事項加以緩解。為了解決這一問題，哈佛大學的一組科學家最近發表了一項研究，提出了一個大膽的解決方案——在軌道上放置一個巨大的磁屏蔽。

來自哈佛史密森天體物理中心(CfA)的一個研究小組的一項新研究提出使用磁屏蔽來保護地球免受太陽耀斑活動的影響。圖片：NASA Goddard Space Flight Center

這項研究是由Manasavi Lingam博士和來自哈佛史密森天體物理學中心(CfA)的亞伯拉罕·勒布教授共同完成的，最近在發表了了「未來太陽耀斑的影響和緩解策略」。正如他們所解釋的那樣，太陽耀斑在當今世界造成了一個特別嚴重的危險。

自1859年著名的卡靈頓事件以來，太陽耀斑已經持續了150多年。從那時起，從理論和觀察的角度來研究太陽耀斑的研究已經有了很大的努力。由於在過去200年里，在天文學和太空探索方面取得的進步，人們已經了解了許多被稱為「太空天氣」的現象。

與此同時人類對電力和太空基礎設施的依賴增加，也使我們更容易受到極端天氣事件的影響。事實上如果今天發生卡林頓事件，估計會對電網、衛星通信和全球供應鏈造成全球破壞。

根據太空研究委員會2009年的一份報告(「嚴重的太空天氣事件——了解社會和經濟影響」)，全球經濟損失累計將達10萬億美元，恢復需要幾年時間。然而正如Loeb教授今天通過電子郵件向宇宙解釋的那樣，來自太空的威脅比其他可能的威脅要少得多。

從天空的風險來看，過去大部分的注意力都集中在小行星上，在過去的物理影響和未來一樣，除非他們的軌道偏離軌道。然而太陽耀斑的生物影響很小，主要影響技術。但一個世紀前技術基礎設施還沒有很多，技術也在成倍增長。因此在過去和未來之間，損害是高度不對稱的。

一顆大小行星經過地球-月球系統的概念圖，圖片：A combination of ESO/NASA

為了解決這個問題Lingham和Loeb開發了一個簡單的數學模型來評估太陽耀斑活動造成的經濟損失。該模型考慮了基於兩個因素對技術基礎設施造成損害的風險增加。首先認為太陽耀斑的能量隨著時間的增加而增加，然後再加上技術和GDP的指數增長。

他們所確定的是在較長的時間尺度上，非常強大的罕見的太陽耀斑變得更有可能。再加上人類日益增長的存在，以及對航天器和衛星的依賴，這將會在未來的某個地方增加危險的連接。

在未來150年內，將會有一項事件造成相當於目前美國國內生產總值(GDP)20萬億美元的損失，而且在技術發展將會飽和之前，損害將呈指數級增長。這樣的預測以前從未嘗試過。我們還提出了一個新的想法，如何通過磁屏蔽來減少高能粒子的傷害。這是我的想法，以前沒有提出過。

為了解決這一日益增長的風險，Lingham和Loeb還考慮了在地球和太陽之間放置磁屏蔽的可能性。這個盾牌將被放置在地球-太陽拉格朗日點，在那裡它可以轉移帶電粒子，並在地球周圍製造一個人造的弓形震動。從這個意義上說這種盾牌保護地球的方式與它的磁場類似，但效果更大。

在地球-太陽L1拉格朗日點放置的磁性偏轉器的插圖。圖片：Lingam and Loeb, 2017

根據評估，Lin gham和Loeb指出這樣的盾牌在技術上是可行的，就其基本物理參數而言。他們還能夠為這個盾牌的建造提供一個基本的時間表，更不用說一些粗略的成本評估。正如Loeb所指出的那樣，這樣的盾牌可以在本世紀結束之前建造，而且其成本的一小部分將會被太陽耀斑破壞所消耗。

我們提議的與磁屏蔽有關的工程項目可能需要幾十年的時間才能在太空中建造。將所需的基礎設施提升到太空(10萬噸)的成本很可能是100億美元，遠遠低於一個世紀以來的預期損失。

有趣的是以前有人提出使用磁屏蔽保護行星的想法。例如這種類型的盾牌也是今年的「行星科學展望2050研討會」的主題，該研討會由NASA的行星科學部(PSD)主辦。該盾牌被推薦作為一種增強火星大氣的方法，並為未來的火星任務提供便利。

在這次題為「未來火星科學與探索環境」的演講中，NASA主管Jim Green討論了磁屏蔽如何能保護火星稀薄的太陽風。這將使它能夠隨著時間的推移而補充，這將使火星變暖，並使液態水再次在其表面流動。如果這聽起來類似於造火星的建議，那是因為它是！

一顆閃爍的紅矮星的概念圖，圖片：NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

除了地球和太陽系外，對這項研究的影響是巨大的。近年來許多類地行星都被發現在附近的m型軌道上運行的紅矮星系統。由於這些行星的軌道與它們各自的太陽緊密相連，以及m型恆星的多變和不穩定的性質，科學家們對這些行星是否能適宜居住表示懷疑。

簡而言之在數十億年的時間裡，圍繞著太陽運行的岩石行星，與它們保持著密切的關係，並且經常受到太陽耀斑的影響，它們將失去它們的大氣層。在這方面，磁護盾可能是建立額外的太陽能菌落的可行方案。在軌道上放置一個大的盾牌，在L1拉格朗日點，你再也不用擔心強大的磁暴破壞地球！

最重要的是，這項研究為費米悖論提供了一個可能的解決方法。當尋找外星智慧(ETI)的跡象時，監視遙遠的恆星尋找軌道磁屏蔽的跡象可能是有意義的。正如Leob教授解釋的那樣，這樣的結構可能已經在遙遠的恆星周圍被探測到，並可以解釋天文學家所做的一些不尋常的觀察：

如果結構足夠大的話，由另一個文明建造的盾的印記可能會涉及到由於掩星(類似於Tabby的恆星)所引起的亮度變化。這種情況可能類似於Dyson的球體，但與其收集恆星的能量，基礎設施的目的是為了保護地球上的科技文明免受其宿主恆星耀斑的影響。

隨著時間和技術的進步，人類在太空中的存在將會增加，這是一個必然的結論。因此為太陽系能向我們扔出的最激烈的太空氣候事件做準備是有道理的。當涉及到諸如我們是宇宙中唯一的文明嗎？同時也有理由接受我們最大膽的概念和建議，並考慮它們如何指向外星智慧。

參考：arXiv

作者：Matt Williams

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

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