主动出击“撞飞”小行星能让地球更安全吗？

官昊的爸爸 · 发表于海洋技术发展 2023-1-6 10:19:57

本文转自：南宁晚报

2013年，一颗小行星落入俄罗斯车里雅宾斯克地区

小行星撞地球是小概率事件，但它给地球生物带来的影响却可能是毁灭性的——据猜测，恐龙的灭绝很可能就是由小行星撞地球而引发。仅2021年，近地小行星飞掠事件就发生了1074次，科学家观测到有21颗小行星进入大气层。小行星飞行速度快，撞击能量大，给人类造成了极大威胁。

在长篇科幻小说《三体》中，人类为抵抗外星文明种群三体人的入侵，成立了行星防御理事会，这个组织后来演变为太阳系舰队的最高指挥机构。现实中，人类实施地外小行星防御，保卫地球的能力不断进步——2021年10月23日，我国第一届全国行星防御大会在广西桂林召开，研讨对象是潜在危险更为紧迫的近地小行星；今年9月27日，美国“双小行星重定向测试”任务在距离地球1100万公里处成功击中“狄迪莫斯”双小行星系统中的子星“狄莫弗斯”，标志着人类第一次行星防御任务完成了最关键的撞击动作。

事件一颗“杀手”小行星将掠过地球

2029年4月13日，一个平凡的周五晚上，不出意外的话，一颗曾被视为“最具潜在危险的小行星”阿波菲斯将从北京上空自东南向西南划过。如果没有乌云遮挡，肉眼便能看到。

这颗直径约为325米的小行星正以每秒30多千米的速度绕着太阳公转，它的轨道半长轴小于1个天文单位（AU 地球到太阳的平均距离），每当这颗小行星接近和离开太阳时，其轨道都会与地球轨道相交。一旦与地球发生撞击，将释放出相当于15.3亿吨TNT炸药爆炸时的能量，威力相当于“小男孩”原子弹爆炸时的10万倍。

2004年6月19日，夏威夷大学在美国亚利桑那州基特峰国立天文台的研究人员发现了这颗小行星。该研究由NASA赞助。随后半年，科学家对这颗小行星进行了近200次观测。经计算，这颗小行星有1/450的可能性将于2029年撞击地球，它也因此得名“阿波菲斯”（古埃及黑暗、混乱和破坏之神），它的中文名称更为言简意赅——毁神星。

幸运的是，经反复计算，美国航空航天局在2004年12月28日宣布，他们已经排除了这颗小行星与地球相撞的可能。不过，阿波菲斯飞越地球时，离地表最近距离仅3.84万千米，不到地月平均距离的1/10。

小行星，指的是沿椭圆轨道围绕太阳公转的自然形成的固态小天体。天文学家认为，它们由太阳系形成过程中没有形成行星的残留物质演变而来，有人干脆称小行星为“太阳系碎片”。至于小行星的大小，国际上并没有统一定义。NASA将小行星尺寸下限定为“直径1米”，也有观点认为最小直径为10米。北京大学地球与空间科学学院教授焦维新解释说，因为只有直径10米以上的小天体在进入地球大气层时才不会被燃烧殆尽。

现象来自小行星的撞击威胁地球安全

如果将太阳系八大行星的公转轨道画成同心圆，绝大多数小行星分布在火星和木星轨道之间，这个区域也被称为主小行星带。目前有98.5%的小行星在主带被发现，其中已被编号的就有120437颗。而对地球有撞击威胁的主要是近地小行星，即公转轨道与地球轨道相交或距离非常近的小行星。

近地小行星在环绕太阳运行的过程中，受到木星等大行星引力牵引，存在撞击地球的风险。近地小行星撞击是人类社会面临的共同威胁和长期挑战，一旦千米级尺寸的近地小行星撞击地球，不仅会带来巨大的撞击灾难，甚至还会引发气候环境灾变和物种灭绝等严重后果。

根据科学家考证，地球历史上发生了22次不同规模的物种灭绝，至少10次与小行星撞击地球相关。有科学家认为，6500万年前，一颗直径10千米的近地小行星撞击北美墨西哥湾地区。巨大的撞击能量，在海底形成一个直径约180千米的陨石坑，大量海底物质被抛射到空中。炽热的撞击溅射物引发了全球森林大火，燃烧的灰烬和溅射尘埃云进入平流层，遮挡了大部分太阳光，全球温度骤降，植物光合作用受到影响，引发了地球气候环境灾变，最终导致了包括恐龙在内全球70%的物种灭绝。

这次撞击导致统治地球长达1.6亿年的恐龙退出地球舞台，是地球历史上白垩纪结束和新生代开始的分水岭。也正是这次撞击事件后，体型更小、消耗资源更少的哺乳动物逐渐适应了恶劣的环境，逐步走向地球舞台中央，发展出今天高度发达的人类文明。

转机人类面临危机催生近地小行星研究热

当小行星与地球的最小轨道交会距离小于等于0.05AU，绝对星等小于等于22时，便被视为“对地球有潜在危险的小行星（PHAs）”。绝对星等是用来比较天体不受距离影响的光度的单位，绝对星等值越小，星星就越亮，通常体积也越大，一旦发生撞击，造成的危害也就越大。

即使小尺寸近地小行星撞击地球，也可能引发显著危害——1908年6月30日上午7时许，一颗直径60～190米的小行星在距离地面6～10千米高的上空爆炸，爆炸发生在俄罗斯通古斯河附近，威力相当于2000万吨TNT炸药；2013年，一颗小行星“袭击”了俄罗斯车里雅宾斯克地区，“肇事”小行星直径仅约18米，但仍然导致了近1500人受伤、3000栋房屋受损；2000年1月18日凌晨，一颗流星体在加拿大育空地区首府白马市上空26千米处爆炸，形成巨大火球，夜空被照亮如昼。

根据理论分析，直径在100米左右的小行星，目前观测到的数量仅占总量的20%～30%，尺寸更小的小行星，观测到的数量占比更低。也就是说，还有海量小天体尚未被发现，其中一部分很可能在被发现前就已经撞向地球。由此可见，开展行星防御是保卫人类自身、续存人类文明、保卫人民生命财产安全的必然要求，也是外太空人类命运共同体的重要体现。

“一颗直径100～300米的小行星将于2027年4月29日撞上地球。”200多名天文学家、工程师和应急专家收到了这则虚拟预报。2019年5月，一场国际小行星撞击模拟演练在美国华盛顿附近展开。演练中，几个握有先进太空技术的国家和地区决定制造6个“动能撞击器”，通过撞击小行星来改变其轨道。5年后，3个撞击器成功撞上小行星导致其主体转向，但撞击造成的一块较小碎片将继续飞向地球。小行星碎片以每小时6.9万公里的高速进入大气层，在美国纽约中央公园上空15公里处爆炸，能力相当于广岛核爆炸1000倍。这场演练最终以“曼哈顿地区被彻底夷为平地”的灾难告终。演练设计者、工程师保罗乔达斯坦言，杀手小行星在现实中出现的可能性极低，但他希望，问题能通过演练暴露出来并得到讨论。

从上世纪80年代开始，近地小行星逐渐成为学术领域和大众媒体关注的热点。

1983年，关于小行星、彗星和流行体的第一次国际会议在瑞典召开。次年，第一架带有CCD感光元件的望远镜开始用于观测小行星和彗星。1980年1月，人类观测到的近地小行星仅有53颗，而据NASA近地天体研究中心最新数据，截至2022年5月，已有28884颗近地小行星被发现，其中直径超过140米的就有1万多颗。

行动撞击小行星人类开启行星防御时代

如何有效化解小行星撞地球的危险？这是全球天文学家关注的焦点。美国的“双小行星重定向测试”任务无疑是近年来最具挑战性也最成功的尝试。这一任务由美国行星防御协调办公室（PDOC）立项支持，约翰斯霍普金斯大学应用物理（APL）实验室负责研制，总投资约3.9亿美元，其撞击器发射重量约为610公斤，于北京时间2021年12月24日搭乘猎鹰9号运载火箭发射。

它的目标是通过在深空环境中实施动能撞击小行星试验，测试动能撞击防御小行星的技术，并通过评估撞击后小行星轨道偏转效果掌握小行星的轨道偏转规律，从而为未来应对近地小行星撞击风险任务设计提供依据。这是人类第一个行星防御验证任务，标志着人类开启行星防御时代，象征意义重大。

难点有很多。“双小行星重定向测试”任务设计最大的挑战之一就是如何准确评估撞击后小行星的轨道偏转效果。要知道，小行星主要由岩石和金属等材料构成，一般直径百米级的近地小行星的重量可达百万吨甚至千万吨，而人造撞击器的重量仅有数百公斤至数千公斤，两者重量相差6~7个数量级，尽管撞击速度接近10千米每秒，但撞击后对小行星的轨道速度改变量可能甚至不足1毫米/秒（mm/s）——以人类现有天文观测能力，还难以在千万公里之外的超远距离，分辨出毫米/秒量级的轨道速度改变量。因此，如何准确评估撞击后近地小行星的轨道偏转效果，是动能撞击试验的关键难题。

“双小行星重定向测试”任务通过选择试验对象为“狄迪莫斯”双小行星系统巧妙地解决了撞击偏转效果评估难题。双小行星系统是太阳系中广泛存在的一种小行星构型。在双小行星系统中，子星在主星引力作用下，运行在环绕主星的轨道上。毫米/秒量级的撞击速度改变量虽然不能显著改变小行星环绕太阳运行的轨道，但足以改变子星相对主星的绕转轨道，并导致子星相对主星的绕转周期改变。而子星相对主星的周期性运动会改变其反射的太阳光通量，利用望远镜对双小行星系统开展持续观测，就可以测量并精确评估出撞击后双小行星系统的周期变化量。

效果撞击试验成功改变小行星的运行轨道

据报道，“狄迪莫斯”双小行星系统中包括两颗小行星，主星“狄迪莫斯”直径约780米，子星“狄莫弗斯”直径约160米。两者距离约1.2千米，共同运行在环绕太阳运行的轨道上。子星“狄莫弗斯”像一台钟表一样，约每11.9小时环绕直径约780米的主星运行一圈。“双小行星重定向测试”任务通过“迎头撞击”改变子星相对主星的绕转轨道，预期使其绕转周期缩短约10分钟。

为了评估撞击效果，詹姆斯韦布太空望远镜、哈勃太空望远镜、“露西”小行星探测器和ATLAS、甚大望远镜等太空和地面望远镜在撞击前后进行了持续观测监测，并进行全球直播。

望远镜获取的大量宝贵的视频和图像资料表明，任务撞击器成功击中了目标，撞击试验产生了大量高速溅射物，双小行星系统的亮度瞬间增加10倍以上，在撞击后小行星形成了一条类似彗星“彗尾”的长达上万千米的溅射物“尾巴”，表明撞击试验取得了成功。持续跟踪监测表明，撞击试验后，双小行星系统的绕转轨道周期从11小时55分缩短至11小时23分，显著超出了预期目标。

除了开展行星防御试验，“双小行星重定向测试”任务还有其他收获——突破了超远程高速撞击制导控制、非合作目标高精度自主导航、暗弱小天体探测识别等关键技术，开展了先进离子推进、卷轴式太阳能帆板等大量新技术试验，具有极强的技术牵引性和带动性，将推动深空探测、空间操作等领域的可持续发展。

分析距人类能成功防御小行星有很大差距

“双小行星重定向测试”任务成功实施动能撞击小行星试验，开启了人类行星防御征程的第一步，但距离人类能够成功防御小行星尚有很大差距。

首先，“双小行星重定向测试”任务是人类精心设计的一次针对已知目标的试验。“狄迪莫斯”双小行星系统此前已经开展了多年观测，其轨道、大小、自转等数据,人类已经基本掌握。而行星防御真正的场景很可能是面对“突袭”——新发现的一颗即将撞击地球的小行星。在这种场景下，小行星的轨道等特性可能并不完全确知，能否防御成功仍然需要打个问号。

其次，“双小行星重定向测试”任务撞击对象“狄莫弗斯”直径仅为160米，其主星直径为780米，目标比较大，那么，对于更小尺寸的小行星能否撞击成功尚需要验证。要知道，小行星尺寸越小亮度越暗弱，撞击难度也越高。但在短时间内，对地球威胁更大的是大量直径20~50米级近地小行星，其撞击地球频率更高，能否成功撞击还需要进一步验证。

再次，“双小行星重定向测试”任务并没有直接改变小行星相对地球的位置关系，而实际行星防御场景需要偏转小行星相对地球的轨道，让小行星距离地球更远。“双小行星重定向测试”采用的偏转子星相对主星绕转轨道的间接方式，效果与真实防御场景仍然有较大差别。

最后，以人类目前科技水平，在10年以及更短的预警时间内，动能撞击技术仅能有效偏转直径几十米级近地小行星的轨道，对直径百米级近地小行星，动能撞击技术仍然难以有效偏转其轨道。

展望中国近地小行星防御系统进入实操阶段

保卫地球，仍然任重道远。人类仍然需要创新发展新型防御手段，在保卫地球的征程中，中国将作出更多贡献。

2018年2月，中国作为正式成员加入了由联合国批准成立的国际小行星预警网（IAWN）。目前，紫金山天文台在盱眙观测站的近地天体望远镜是中国贡献共享数据的唯一主干设备。该望远镜有效口径为1.04米，系国内最大、国际第五的施密特型光学望远镜，可观测到直径300米以上的近地小行星，目前已经开展了“中国近地天体巡天”和“盱眙银河系反银心方向数字巡天”两个大型巡天计划。

今年元旦，盱眙观测站近地天体望远镜巡天时，其计算机自动捕捉程序发现了一颗亮度为20.6等的暗弱移动天体，视运动速度为0.704度/天，比一般小行星快很多。这颗小行星直径约43米，接近半个标准足球场大小，与地球的最小轨道交会距离小于地月距离，不过没有撞击危险。该小行星很快获得了国际小行星中心给予的编号2022AA，成为2022年人类发现的第一颗近地小行星。

去年10月召开的第一届全国行星防御大会上，来自北京理工大学、中国科学院国家空间科学中心、中国科学院紫金山天文台等单位的学者分享了专题报告。有数据科技公司首席科技官介绍了《亿级太空碎片实时监测系统底层技术》，中科院国家空间科学中心硕士生分享了《动能撞击偏转小行星轨道在轨验证任务设计初探》。

2022年，中国国家航天局副局长吴艳华介绍，中国将着手构建近地小行星防御系统，并计划在2025年或者2026年实施一次动能撞击防御小行星实验。这意味着中国近地小行星防御系统已经进入实操阶段。

相信未来，中国一定可以在行星防御领域有所作为，为构建人类命运共同体、保卫地球生命安全贡献中国智慧、中国方案和中国力量。

本版文字综合《光明日报》、中广报道

主动出击“撞飞”小行星 能让地球更安全吗？

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