Con người thường bị thu hút bởi vẻ rực rỡ của cực quang khi nhìn lên bầu trời đêm, nhưng bên ngoài chiếc ô bảo vệ của từ trường Trái đất, hoạt động của mặt trời có thể cực kỳ nguy hiểm. Những ngọn lửa mạnh và những vụ phun trào hạt tích điện năng lượng cao đủ để gây ra mối đe dọa chết người cho các phi hành gia và tàu vũ trụ. Gần đây, một nhóm nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) ở Nhật Bản đã xác định thành công sự kiện proton mặt trời xảy ra trong khoảng thời gian từ năm 1200 đến năm 1201 sau Công nguyên bằng cách kết hợp các phép đo chính xác về đồng vị carbon trong vòng cây với các hồ sơ tài liệu thời Trung cổ, cung cấp manh mối quan trọng để tái hiện hoạt động của mặt trời trong quá khứ và cải thiện dự báo thời tiết không gian trong tương lai.

Cái gọi là Sự kiện Proton Mặt trời (SPE) đề cập đến việc mặt trời phóng ra các proton năng lượng cao và các hạt khác về phía trái đất trong một vụ nổ dữ dội. Những hạt này có thể bay về phía trái đất với tốc độ lên tới gần 90% tốc độ ánh sáng. Năm 1972, mặt trời đã trải qua nhiều sự kiện như vậy giữa các sứ mệnh Apollo 16 và Apollo 17. Nếu các phi hành gia đang thực hiện nhiệm vụ trong không gian sâu vào thời điểm đó, họ có thể sẽ gặp phải liều phóng xạ gây tử vong nếu không được che chắn hiệu quả. Khi các cuộc đổ bộ lên mặt trăng có người lái và các chương trình bay vào vũ trụ có người lái sâu rộng hơn được đưa trở lại chương trình nghị sự, cách xác định và đánh giá rủi ro của những “cơn bão mặt trời bất ngờ” như vậy ngày càng trở nên quan trọng.

Nhóm nghiên cứu của OIST lần này đã áp dụng phương pháp “thu thập bằng chứng liên ngành” mới: một mặt, họ chọn các mẫu gỗ cây bách Hinoki (asunaro) được chôn cất được khai quật từ Bán đảo Shimokita ở tỉnh Aomori, phía bắc Honshu, Nhật Bản. Hàm lượng carbon-14 được đo hàng năm với độ chính xác cao; mặt khác, dựa vào nhật ký của nhà quý tộc Nhật Bản thời trung cổ Fujiwara Sadaie "Myegetsuki" và các ghi chép về cực quang trong các tài liệu lịch sử Trung Quốc cùng thời kỳ, khoảng thời gian bị nghi ngờ là hoạt động mạnh của mặt trời đã bị khóa, và sau đó "khớp điểm" được tìm thấy trong dữ liệu vòng cây để tìm ra điểm bất thường.

Carbon-14 là đồng vị carbon phóng xạ được tạo ra khi các hạt năng lượng cao bắn phá bầu khí quyển trái đất. Nó sẽ xâm nhập vào thực vật cùng với sự hoàn lưu của khí quyển và cố định trong các vòng cây của năm đó, tương đương với việc “để lại âm” cho các tia vũ trụ và hoạt động mặt trời của năm đó. Trước đây, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp này để tái hiện lại lịch sử hoạt động của Mặt trời ở thang thời gian khoảng 10.000 năm. Tuy nhiên, để ghi lại các sự kiện proton mặt trời “cực đoan” với cường độ thấp hơn một chút và tần số cao hơn đòi hỏi cả độ chính xác đo cực cao và cửa sổ tìm kiếm thời gian càng hẹp càng tốt.

Đây là nơi các tài liệu lịch sử phát huy tác dụng. Fujiwara Sadake (1162–1241) ghi lại trong nhật ký của mình rằng vào tháng 2 năm 1204 sau Công nguyên, ông nhìn thấy “một ánh sáng đỏ xuất hiện trên bầu trời phía bắc” ở Kyoto. Mặc dù bản thân các sự kiện proton mặt trời không trực tiếp tạo ra cực quang nhưng chúng thường đi kèm với hoạt động mạnh của mặt trời có thể kích thích cực quang. Hồ sơ này cung cấp manh mối quan trọng cho nhóm nghiên cứu. Dựa trên điều này, họ đã chọn các mẫu vòng cây từ những năm liền kề để thử nghiệm tập trung và cuối cùng phát hiện ra sự gia tăng bất thường đáng kể về lượng carbon-14 trong khoảng thời gian từ mùa đông năm 1200 đến mùa xuân năm 1201, cho thấy rằng một sự kiện proton mặt trời có cường độ "cực đoan" đã xảy ra vào thời điểm đó.

Để xác định chính xác hơn năm và xác minh mối tương quan, nhóm nghiên cứu cũng sử dụng kỹ thuật niên đại cây và khí hậu học để tinh chỉnh ranh giới thời gian của sự kiện thông qua phân tích so sánh về chiều rộng vòng cây và các kiểu khí hậu. Ngoài các tài liệu của Nhật Bản, còn có những ghi chép hiếm hoi về cực quang đỏ ở vĩ độ thấp trong sử sách Trung Quốc cùng thời kỳ. Điều này rất phù hợp với khoảng thời gian được biểu thị bằng các dị thường carbon-14 trong các vòng cây, hỗ trợ thêm cho sự tồn tại của sự kiện mặt trời này.

Giáo sư Yuko Miyahara, trưởng nhóm nghiên cứu và thuộc Đơn vị nghiên cứu khí hậu và môi trường Trái Đất của OIST, đã chỉ ra rằng nghiên cứu trước đây về các sự kiện proton mặt trời trong lịch sử tập trung vào một số lượng rất nhỏ các "siêu sự kiện" và tầm quan trọng của công trình này là cung cấp cơ sở phương pháp luận để xác định các sự kiện "cực đoan" phổ biến hơn nhưng rõ ràng vẫn có hại. Năng lượng của những sự kiện như vậy chỉ bằng khoảng 10% đến 30% những sự kiện cực đoan nhất được biết đến. Mặc dù nó sẽ không gây ra thảm họa toàn cầu nhưng nó cũng đủ đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với sự an toàn của các vệ tinh quay quanh quỹ đạo, các sứ mệnh không gian sâu và các căn cứ trên mặt trăng trong tương lai.

Thông qua các phép đo carbon 14 có độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu không chỉ xác định được một sự kiện proton mặt trời cụ thể mà còn tái tạo lại các chi tiết của chu kỳ hoạt động của mặt trời từ khoảng năm 1190 đến năm 1220 sau Công nguyên. Phân tích cho thấy, không giống như chu kỳ hoạt động của mặt trời ngày nay khoảng 11 năm, chu kỳ mặt trời lúc đó chỉ khoảng 7 đến 8 năm và đang ở giai đoạn cực kỳ sôi động. Sự kiện proton mặt trời được xác định lần này xảy ra ở giai đoạn cao điểm của một trong các chu kỳ. Kết quả này cung cấp bằng chứng quan trọng để tìm hiểu mô hình hoạt động của mặt trời trong các thời kỳ khác nhau.

Giáo sư Miyahara nhấn mạnh rằng chỉ dữ liệu carbon-14 là không đủ để khôi phục hoàn toàn hoạt động của mặt trời và phải được chứng thực lẫn nhau bằng các hồ sơ quan sát vết đen mặt trời và cực quang trong các tài liệu lịch sử. Bà chỉ ra rằng thông qua so sánh toàn diện dữ liệu vòng cây và hồ sơ tài liệu, các nhà nghiên cứu có thể tái tạo chính xác hơn thời gian hoạt động của mặt trời và do đó hiểu rõ hơn các điều kiện và đặc điểm tạo ra các sự kiện thời tiết cực đoan trong không gian. Ví dụ, kết quả tái thiết cho thấy mặc dù sự kiện proton mặt trời này xảy ra ở đỉnh điểm của hoạt động mặt trời, nhưng một số cực quang ở vĩ độ thấp kéo dài trong lịch sử dường như đã rơi xuống gần đáy chu kỳ tái thiết của chúng. Hiện tượng “bất thường” này ngụ ý rằng mặt trời cũng có thể gây ra các sự kiện thời tiết không gian đặc biệt thông qua các cơ chế khác nhau trong khoảng thời gian tối thiểu.