圖註：儘管在太陽外層發生了諸如耀斑，日冕物質拋射，太陽黑子和其他複雜物理等暴力事件，但太陽的內部相對穩定：以內部溫度和每個內部層密度定義的速率產生聚變。 但是，這些表面動力學可能會對恆星的行星產生巨大影響，包括行星地球。科學每隔一段時間就會給我們帶來一個神秘的驚喜，這是一個完全的驚喜。通常，當我們切開一棵樹並檢查其年輪時，我們會在每個年輪中發現三種不同形式的碳：碳-12，碳-13和碳-14。儘管碳12和碳13的比例似乎不會隨時間變化，但碳14卻是另一回事。它的豐度緩慢衰減，碳-14半衰期超過5,000年，在年輪中，每年的典型變化約為0.06％。
但是在2012年，一日本研究人員小組分析了可追溯到774~775年的樹年輪，當時他們發現一個巨大的驚喜。他們看到的峰值不是正常的變化，而是正常值的20倍。經過多年的分析，終於發現了導致該現象產生的罪魁禍首：太陽。為什麼說是太陽導致了碳-14急劇增加呢？
圖註：原行星盤的圖示，其中行星和小行星首先形成，當行星和小行星形成時，在它們之間產生「間隙」。一旦中央原恆星變得足夠熱，它就開始吹散周圍原行星系統中最輕的元素。太陽前星雲可能由各种放射性同位素組成，但是具有短半衰期的原子（如碳-14）到今天已經消失了。很久以前，我們的太陽系是由氣體分子雲形成的。從大爆炸中遺留下來的氫氣和氦氣中埋藏著全套元素，這些元素構成了元素周期表的其餘部分，並從前幾代恆星的殘骸返回到星際介質。在這些元素中，最突出的是碳，它是整個宇宙中第四大最常見的元素。
地球上存在的大部分碳是碳-12，由6個質子和6個中子組成。我們的碳的一小部分（約1.1%）以碳-13的形式出現，與更常見的碳-12相比，有一個額外的中子。但是，還有另一種形式的碳，不僅罕見，而且不穩定，碳-14（在碳-12上加了兩個中子），這是解開這一謎團的關鍵。
圖註：所有碳原子在其原子核中均包含6個質子，但自然界中存在三種主要變體。碳-12具有6個中子，是最常見的穩定碳形式。 碳-13有7個中子，佔穩定碳餘下的1.1％； 碳-14不穩定，半衰期超過5,000年，但在地球大氣層中不斷形成。與碳-12和碳-13不同，碳-14具有六個質子，但原子核中有八個中子，因此固有地不穩定。半衰期略超過5,000年，碳-14原子將衰變為氮-14，並在衰變發生時發射出電子和反電子中微子。任何在地球形成之前產生的碳-14原子都會在很久以前就全部衰變，沒有留下任何原子。
但是在地球上，我們確實有碳-14。每1萬億個碳原子中，大約有1個原子中有8個中子，這表明地球上必須有某種方法才能產生這些不穩定的同位素。長期以來，我們知道碳-14的存在，但我們不了解它的起源。但是，在20世紀，我們終於弄清楚了：碳-14來自與我們世界碰撞的高能宇宙粒子。
圖註：宇宙射線是起源於整個宇宙的超高能粒子，它們撞擊高層大氣中的質子並產生新粒子的陣雨。快速移動的帶電粒子也由於切倫科夫輻射而發光，因為它們的移動速度快於地球大氣中的光速，並產生可在地球上被檢測到的次級粒子。從太陽、恆星、恆星殘荷和黑洞，甚至銀河系外的星系等來源，太空中都充滿了這些被稱為宇宙射線的高能粒子。它們大多數是簡單的質子，但是有些是較重的原子核，有些是電子，還有一些甚至是正電子：電子的反物質對應物。
無論它們的組成如何，當宇宙射線遇到地球時，它們首先碰撞的就是我們的大氣層，這將導致相互作用的連鎖反應。將會產生各種各樣的新粒子，包括光子、電子、正電子、介子和介子等不穩定的輕粒子，以及質子和中子等更常見的粒子。尤其是，中子對碳-14的產生極其重要。
圖註：宇宙射線陣雨和一些可能的相互作用。請注意，如果帶電的離子（左）在原子核衰變之前撞擊核，則會產生陣雨，但如果先衰變（右），則會產生介子，該介子將到達表面。宇宙射線產生的許多「子」粒子包括中子，可將號氮-14轉化為碳-14。地球上大部分大氣（約78％）由氮氣組成，氮氣本身就是由兩個氮原子組成的雙原子分子。 每次中子與由7個質子和7個中子組成的氮核碰撞時，都有一定的概率會與該核發生反應，從而取代其中一個質子。結果，氮-14原子（和中子）轉變為碳14原子（和質子）。
一旦生產出碳-14，它的行為就與其他任何碳原子一樣。它容易在我們的大氣層中形成二氧化碳，並在整個大氣層和海洋中混合。它被植物吸收，被動物消耗，很容易進入生物體，直到達到平衡濃度。當一個有機體死亡（或樹輪完全形成）時，沒有新的碳-14進入其中，因此所有現存的碳-14緩慢而穩定地衰變。
圖註：如果人們知道碳-14的衰變方式並可以測量今天存在的碳-14（相對於碳-12）的數量，那麼當從「化石」遺蹟中發生特定事件時，很容易就能知道碳-14的含量。當您聽到「碳定年」一詞時，這就是科學家所指的：測量碳-14與碳-12的比率。如果我們知道一個生物體存活時最初的碳-14與碳-12的比率是多少（因為它通常每年之間僅變化約0.06％），並且我們測量今天的碳-14與碳-12的比率是多少（其中一些碳-14與碳-12的比率由於其不穩定的放射性性質而衰減了），我們可以推斷該生物體停止吸收碳-14已經有多長時間了。
據我們所知，在過去的幾千年中，全世界的碳-14含量大致保持不變。至少在2010年代初期，這種模式的唯一已知波動是來自露天核武器的爆炸。然而，在2012年，我們被這一科學探測震驚了：對日本兩棵獨立的雪松樹大約在774~775的年輪環中碳-14進行了分析，並看到了一個巨大的峰值，這個峰值大約是自然變化所能解釋的20倍。
圖註：帶誤差線的彩色圓點顯示了在日本（M12）和德國（橡樹）樹中測得的碳-14數據，以及即時生產碳-14的典型曲線（黑色曲線）。唯一有意義的自然解釋是，就在那時，如果地球經歷了這些宇宙射線的過度轟擊，產生的碳-14數量激增。儘管從絕對值來看這是一個小小的過剩——碳-14隻比正常值多1.2%——但它遠遠高於我們所見過的任何自然變化。
此外，這種尖峰後來被確認存在於世界各地的樹木年輪中，從德國到俄羅斯再到紐西蘭再到美國。這一結果在各國都是一致的，從太陽活動增加到宇宙耀斑，再到遙遠的伽馬射線爆發的直接撞擊，都可以解釋這一結果。但是碳-14的證據隨後又加入了一些其他的歷史和科學特點，而後者使我們能夠解開這個謎。
圖註：2016年3月14日來自北極圈的北極光（北極光）。有時候，極光附近會在極光中產生罕見的紫色，因為原子的藍色和紅色發射線的組合可以產生這種罕見的景象，以及更典型的綠色。從歷史上看，「盎格魯-撒克遜紀事」記錄於公元774年的「天堂中的紅色耶穌受難像」，這可能對應於超新星（從未發現過殘餘）或極光事件。在中國，公元775年記錄到了異常的「雷暴」，值得注意的是，這是唯一記錄的此類事件。
但科學上，樹木年輪數據與南極冰芯數據相結合。雖然樹木年輪顯示774/775年碳-14的峰值，但冰芯數據顯示放射性鈹-10和氯-36的峰值相增加，這表明與太陽粒子的強烈高能事件有關。這樣的一個事件可能與現在著名的1859年卡林頓事件（Carrington event）相當，這是近代史上記錄的最大太陽風暴，歷史數據也與此解釋保持一致。
圖註：碳-14數據（中心）以及鈹-10（頂部）和氯-36（底部）冰芯數據中的相關峰值，都與774~775年的一次富含質子的太陽耀斑事件一致。隨後還發現了另外兩個可能在這些同位素中顯示出類似峰值的事件：公元993~994年的一次稍弱的爆發，甚至更早的一次爆發可以追溯到公元前660年。這三個事件的綜合數據指向一個共同的起源，這必然涉及特定能量範圍內的大量質子流。
這與在太陽中看到的一個相對普遍的事件是一致的：太陽質子的噴出。但是，這與伽馬射線爆裂場景不一致，後者無法產生必要的質子流來同時解釋鈹-10。最初提出對774~775年輪數據的伽馬射線暴解釋的同一日本團隊在對993~994年事件進行了自己的測量後得出結論：
「這些事件很有可能起源於同一事件。考慮到[碳-14]增加事件的發生率，太陽活動是[這些]事件的合理原因。」
圖注: 太陽耀斑是一個相對典型的事件，它將物質從母星射出並射入太陽系。然而，一次巨大的、富含質子的耀斑確實可能導致我們過去在碳-14和其他同位素中看到的峰值，並在這個過程中對我們的基礎設施造成很大的破壞。太陽每隔一段時間就會向地球方向射出高能粒子。有時，地球磁場會將其偏轉，而有時則將這些粒子集中到我們的大氣中。當它們到達時，會產生極光，擾亂我們當地的磁場，如果我們技術先進，它們會在我們的電網和設備中產生各種電流，可能造成價值數萬億美元的基礎設施損壞。
我們現在知道，有各種各樣的太陽活動影響地球，我們所經歷的最大規模的事件每千年發生一次以上。我們無法預測下一個何時到來，但可以肯定的是，人類社會的後果將比以往任何時候都要嚴重。碳-14水平在未來肯定會再次飆升，但當這種情況發生時，受影響的將遠遠超過樹木年輪和冰芯。