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近地小天體（near-Earth objects，NEO）是指軌道近日點在1.3個天文單位（astronomical unit，AU）距離的天體，按照天體種類，可以分為近地小行星（near-Earth asteroids，NEA）和近地彗星（near-Earth comets，NEC）兩類。目前已經發(fā)現的近地小天體中，絕大部分是近地小行星，有20000多顆，而近地彗星僅100多顆^[1]。

按照軌道的半長徑（a）、近日點（q）和遠日點（Q），近地小天體可以分為如下4類^[2]：

截至2019年6月28日，已發(fā)現36個阿波希利型，1510個阿登型，10199個阿波羅型和8583個阿莫爾型近地小天體^[3]。圖1給出了目前已發(fā)現的近地小天體的直徑分布，大部分直徑小于1 km。

圖1  （a）截至2019年4月18日，已發(fā)現的近地小行星的直徑分布（https://cneos.jpl.nasa.gov/stats/）。（b）截至2018年11月25日，已發(fā)現的近地彗星和4類近地小天體的數目和占比

近地小天體的觀測對了解太陽系具有重要的科學意義，同時其與地球上生命的安全息息相關，具有現實意義。本節(jié)將分別從近地小天體研究的科學意義和人類自身安全兩方面闡述研究近地小天體的意義。

現有的太陽系形成理論中，各大行星的形成都是在圍繞恒星的原行星盤中形成的。盤中的固體物質經過持續(xù)增長，形成了太陽系大行星和小天體^[3]，例如太陽系中的地球、火星、主帶小行星等。對于大行星而言，由于風化作用、分異過程等因素的影響，已經難以從地表推測這些行星形成之初的物質分布等特征。而質量較小的小天體（例如球粒隕石等）上，大部分物質仍是原行星盤上的原始物質，能較好地保留太陽系早期的物質特征，是科學家們研究早期太陽系化學組成的絕佳對象^[4]。

此外，地球上水的來源也是一個尚未解開的謎題。太陽系“雪線”（即水-冰分界線，約為2.7 AU）以外的小行星，可能會含有較多的水，甚至可能含有氨基酸等與生命關系密切的有機物^[5]。這些外側的小行星在太陽系演化過程中，受大行星擾動，可能運動到地球附近，增加了與地球的碰撞概率，可能給地球帶來水、有機物等對生命起源至關重要的物質^[6]。

月球的起源也被認為和近地天體有關。約45億年前，在太陽系演化歷史中，一顆火星大小的天體撞擊了地球。劇烈的撞擊使得火星大小的天體和部分地球物質變成碎塊，這些碎塊由于地球引力還圍繞地球運轉，通過長時間的引力和碰撞作用重新聚集，形成了如今的月球^[7,8]。這就是目前主流的月球形成理論，即大撞擊假說（giant impact hypothesis），既能解釋地球和月球成分的相似性^[9]，也能解釋地球自轉軸的傾斜，如圖2所示。

圖2  月球形成的大碰撞假說示意圖。圖片來源：ESO

由此可見，對近地小天體的研究有助于了解原始太陽系的成分、太陽系水的分布以及太陽系的動力學演化歷史。這為揭示太陽系的形成，理解行星形成的一般理論提供了重要觀測證據。

由于近地小天體距離地球較近，即使有月球的保護，地球仍有被碰撞的可能，例如發(fā)生于中生代白堊紀與新生代第三紀之間（距今約6550萬年前）的大規(guī)模物種滅絕事件。根據地質學家的考察結果，在白堊紀與第三紀的地層之間，有一層富含銥的黏土層，名為K-T界線。由于地殼上銥的含量極少，部分太陽系小天體上銥的含量豐富，因此這次地球生物大規(guī)模滅絕的原因之一，被認為是一顆10~15 km大小的近地小天體撞擊地球，改變了當時的氣候和環(huán)境，破壞了原有生物鏈^[10]。

最近兩個世紀，最著名的小天體撞擊地球的事件當數發(fā)生在1908年的“通古斯大爆炸”。據科學家推測，小天體撞擊釋放的能量達到2000萬~3000萬噸級^[11]，將約2000 km²的森林夷為平地，萬幸的是地點發(fā)生在西伯利亞荒無人煙的通古斯地區(qū)。即使直徑很小的近地小天體，也可能威脅到人類安全。例如，2013年2月15日中午12時30分左右，一顆直徑15 m左右的隕石在穿越大氣層時摩擦燃燒，在俄羅斯車里雅賓斯克州上空發(fā)生爆炸，產生大量碎片，形成了所謂“隕石雨”。在墜落區(qū)域，許多建筑的窗戶玻璃破裂，1200多人受傷，此事件對人類的生活產生了很大影響。因此，關注近地小天體，和人類的生活息息相關、緊密聯系。

1577年，丹麥天文學家第谷第一次發(fā)現了一顆近地天體，被后人證實是近地彗星。隨著望遠鏡技術的提升和天文學的進步，越來越多的近地小天體被發(fā)現。鑒于上一節(jié)提到的近地小天體的科學意義，以及更為重要的人類自身安全，對近地小天體進行監(jiān)測、預報，鑒別出對地球有潛在威脅的近地小天體，正越來越受到各國重視。

按照目前國際天文學聯合會（International Astronomical Union，IAU）的定義，把與地球最小距離小于0.05 AU，絕對星等小于22等（對應直徑大約140 m）的天體稱為潛在威脅天體（potentially hazardous object，PHO）。根據科學家估計，直徑大于140 m的小天體撞擊地球，就能在局部范圍引起巨大破壞，或者引發(fā)海嘯等災難，威脅人類安全。因此，對這些潛在威脅天體進行監(jiān)測和預報至關重要。

1973年，在美國成立了第一個近地小天體監(jiān)測項目——the Palomar Planet-Crossing Asteroid Survey。1996年，IAU設立了專門基金支持各國搜尋和監(jiān)測近地小天體。此后，越來越多的近地小天體搜尋項目開始大放異彩，例如較早的Catalina Sky Survey，Near-Earth Asteroid Tracking（NEAT），近年的 Pan-STARRS，Zwicky Transient Facility，以及在空間進行紅外波段觀測的Near-Earth Object WISE（NEOWISE）。圖3給出了不同項目在不同年份監(jiān)測到的NEA數目。

圖3  不同NEA搜尋項目在1995~2017年間發(fā)現的NEA數目統計圖（https://cneos.jpl.nasa.gov/stats/）

值得一提的是，卡特林那巡天系統（Catalina Sky Survey）于2008年10月6日凌晨發(fā)現了一顆直徑2~5 m的小行星2008 TC3。數小時后，國際小行星中心所在的哈佛-史密松天體物理中心宣布，該小行星有99.8%~100%的概率將于2008年10月7日凌晨2:45（UTC）與地球相撞。事實上，這顆小行星于2008年10月7日2:46（UTC）撞擊地球，并在蘇丹上空爆炸。這是天文學家首次成功對小行星撞擊地球做出提前預報。

目前，直徑1 km以上的近地小天體觀測得比較完備。最新數據顯示，目前地球附近的近地小天體中，直徑超過1 km的大約有990個，直徑超過140 m的大約有27100個^[12]?，F有數據顯示，超過97%的直徑大于1 km的小天體被探測到^[13]。

借助PAN-STARRS和NEOWISE項目，NASA希望2020年能探測到更多直徑大于140 m的近地小天體。此外，NASA還計劃發(fā)射一個專門用于行星防御任務的望遠鏡（Near-Earth Object Surveillance Mission，NEOSM），用于預報、監(jiān)測對地球具有潛在威脅的，直徑大于140 m的近地天體。

按照NASA的估計，直徑大于100 m的潛在威脅天體大約有4700個，而直徑更小的潛在威脅天體由于亮度更低，很難被發(fā)現，成為“漏網之魚”，但這些天體撞擊地球仍然可能產生很大影響。因此，對直徑更小的近地小天體建立更加完備的監(jiān)測和預報系統，是未來各國合作、努力的目標，也契合習總書記提出的“人類命運共同體”的理念。

我國也一直在開展近地小天體的搜索和監(jiān)測，如紫金山天文臺的近地天體望遠鏡，目前共計監(jiān)測了3000多個近地小行星的運行，更新了它們的軌道信息，并且發(fā)現了20個新的近地小行星，包括3個對地球構成潛在威脅的近地小行星。2018年，我國航天局加入了聯合國和平利用外層空間委員會下設的國際小行星監(jiān)測預警網（International Asteroid Warning Network）。

我國的近地小天體監(jiān)測受限于天文望遠鏡資源，未來還需要建設更多大型的地面和空間望遠鏡，積極開展國際合作，對近地小天體進行更完備的實時全球聯網監(jiān)測和預警。例如，即將建成的大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope，LSST），有望在南半球的近地小天體搜尋上發(fā)揮巨大作用。

近地小天體的威脅和極端天氣一樣，在建立了監(jiān)測預報體系之后，需要做的就是提出防范措施。但近地天體防御的問題還未得到各國政府的足夠重視，幾乎沒有專門的機構負責。NASA于2016年才成立了行星防御協調辦公室（Planetary Defense Coordination Office，PDCO），主要負責檢測和追蹤近地小行星，鑒別飛向地球的潛在威脅天體，并提出防御方案，同時向公眾發(fā)布警告。

但是，在如何防范小行星撞擊地球上，受限于目前人類的技術發(fā)展水平，難度還相當大。雖然其他一些國家也有類似的防護計劃在醞釀（如歐盟資助、德國主要負責的防御小行星項目——近地軌道防護盾計劃（NEOShield），但大都停留在理論階段，具體方案的可行性和有效性還存在爭議。下面對幾種可能方案進行探討。

（1） 脈沖式能量轉移法：即通過撞擊或爆炸的方式，改變小天體能量，使其軌道改變，甚至分裂成碎片的方法。這種方案在科幻電影中經常出現，在電影中也常常有效。但現實中的問題是，在宇宙真空環(huán)境下，導彈的爆炸威力遠不如地面，而且部分小天體結構松散，即使導彈爆炸，起到的瓦解作用也有限。即使能把小天體軌道改變甚至炸碎，殘余的數量眾多的小天體碎片仍然可能會碰撞地球，引起更大的次生災難。此外，如果采用核爆，產生的放射性物質可能也會散落到地球大氣中，形成核污染，威脅地球環(huán)境。碰撞也存在相似的問題，需要結合小天體物質特性，準確選擇撞擊/爆炸點，以及撞擊和爆炸強度，盡可能減小大天體碎片的次生災害^[14]。這種防御方法的優(yōu)點是見效快，有立竿見影的效果，但是容易產生次生災害。

（2） 漸進式主動牽引法：即通過更溫和的外力作用，逐漸改變小天體軌道，避免與地球發(fā)生碰撞。這種方案比第一種溫和，但改變軌道需要更多的時間，例如引力牽引^[15]、質量驅動器等方案^[16]?，F實中，近地小天體運動速度快，從預警到碰撞地球可能只有幾天的時間（如上一節(jié)提到的撞擊地球的小天體2008 TC3），在這么短的時間內改變軌道，需要施加更大的外力。近地小天體速度普遍大于10 km/s，而且可以引發(fā)地球災難的小天體直徑普遍較大，動輒上百萬噸（100 m直徑，按照地球密度估計），其動能是個天文數字，即使對它的軌道做微小改變，所耗費的能量對目前人類的航空發(fā)動機而言也是短期內難以實現的。因此這種方案雖然不容易產生次生災害，但是需要花費更長的時間才能實現，時效性和及時性是主要缺點。

（3） 地面被動防御法：在地下修建地下城，躲避小行星撞擊地球的第一波致命沖擊，再慢慢恢復地球氣候、環(huán)境。這種被動防御方案相對于前兩種主動防御更具有可操作性。但是，修建地下城也需要耗費大量時間、資金、人力和物力，需要提前很久籌備才可以實現。目前近地小天體撞擊地球的預報無法做到提前好幾年。即使這個方案能預先實施，小行星撞擊地球的影響是持續(xù)性的，尤其是對氣候、生態(tài)、環(huán)境的影響，需要花費相當長的時間才能恢復，甚至有些影響是不可逆的，這種方案的有效性還需要生物、地質、氣候、環(huán)境多方面的專家深入論證。

綜上，可以看到，雖然大尺寸的小行星撞擊地球是小概率事件，可一旦有近地小天體威脅地球，短時間內人類還無法找出可行有效的防御方案。我們應該居安思危，提前對近地小天體防御方案進行深入研究，提前準備，才能從容應對這樣的小概率事件，盡量減少甚至避免撞擊對地球、人類的不利影響。

任何事物都有兩面性。近地小天體可能威脅地球，但也可以被人類利用。目前人類足跡所至的最深宇宙僅僅是月球表面，因為從地球運送物質到宇宙中成本太高。以人體必不可少的水為例，僅僅運送到國際空間站，運輸成本就高達2萬美金/千克。高昂的成本使得人類在探索深空的步伐舉步維艱。

對小天體進行開采利用是人類突破地球資源限制的主要途徑之一，尤其是距離我們較近的近地小天體。小行星上的資源包括礦產資源、水資源等，對小天體的資源進行普查是資源開發(fā)的第一步。各國的小行星探測計劃，包括日本的隼鳥、歐洲的羅塞塔探測器、美國的OSIRIS-RE等，探測目的除了科學考察之外，也包括為今后太空資源的開發(fā)利用打下基礎。

我國也計劃于2022年進行一次小行星探測計劃，并且取樣返回。如果能提取小行星上的水分，進行原位利用，自然就可以降低地面運輸的需求。如果能提取小天體上的其他物質，例如鐵、硅酸鹽，以及稀有金屬鉑、銥等，進行原位利用，也將大大減少從地面運送這些物質的需求，為未來建立月球基地、火星基地提供原材料。圖4給出了小天體上常見物質的用途。

圖4  小天體上不同元素相對地球的含量和應用價值（https://www.planetaryresources.com/）

小天體按照組成成分大致可以分為3大類：

目前，小行星采礦主要關注的目標是數目最多的C類和含稀有金屬的M類小行星。

進行小行星資源利用的想法雖然比較超前，但已經有很多人嗅到了商機。2012年成立的美國的行星資源（Planetary Resources）公司，其創(chuàng)始人是在航天領域有著多年經驗的億萬富翁埃里克?安德森和奇點大學聯合創(chuàng)始人彼得?戴曼迪斯，已經與NASA簽署了技術合作協議，期望利用小天體上的H作為能源。同一年成立的深空工業(yè)公司（Deep Space Industries，DSI）也把近期目標放在了采礦實驗探測器的研制上。圖5給出的是深空工業(yè)公司小行星采礦探測器的構想圖。中國也成立了“起源太空”等公司來調研小行星采礦的可行性方案。

圖5  深空工業(yè)公司的小行星采礦構想圖（http://deepspaceindustries.com/）

當然，要進行小行星采礦，需要勘探、采集、回收或者原位利用幾個階段，每個階段都還有很多關鍵技術有待突破。例如，勘探階段需要對大量小天體進行光譜探測甚至原位探測，揭示表面和內部組成成分，需要大量觀測設備支撐；采集階段需要工業(yè)化的空間采礦設備，還需要保障設備自動運行所需的功率，對運載能力的要求很高，需要更先進的推進系統^[17]；在原位利用階段，原材料的提純、煉制、組裝等對空間設備的輕量化、小型化也提出了新要求。

此外，資源利用必須考慮成本，運回地球成本太高。即使是鉑、銥這樣的稀有金屬，運回地球后也很難溢價賣出。因此，原位利用也要兼顧到低成本火箭發(fā)射技術（如小推力推進技術）、低成本空間采礦設備研發(fā)（如空間3D打印技術）等^[18]。

可以預見的是，近地小行星資源的成功開發(fā)利用將會是人類邁向深空的里程碑，是人類科技步入新時代的標志。在小行星采礦實現過程中，也將會產生大量的新技術、新設備。這些技術設備未必率先應用在近地小天體采礦上，但也會極大地推進人類科學、技術的進步，為人類的生活帶來更多的便利和可能性。

本文主要介紹了近地小天體的定義和分類，說明了研究近地小天體在科學研究方面對理解早期太陽系、行星的形成和演化等科學問題具有重要作用，同時也與地球上每一個人息息相關。

通過對當前近地小天體的觀測概況和分布特征的介紹，說明了對近地天體進行監(jiān)測，尤其是對那些具有潛在威脅的小天體的監(jiān)測和預報是必要的，并非杞人憂天。目前NASA，ESA等機構已經越來越重視對小天體的監(jiān)測，將來也會借助大型巡天望遠鏡（如LSST^[19]）進行小天體監(jiān)測。未來應該通過更廣泛的國際合作，建立地面望遠鏡監(jiān)測和預報網絡，更為準確地識別具有潛在威脅的小天體，增強危害預警的準確性，增加預報的提前量，為未來小行星防御提供更充足的應對時間。

針對小天體進行防御，文中提到的各類方案各有優(yōu)缺點，脈沖式能量轉移法的可行性相對較高，利用碰撞、核爆等手段消除小天體威脅也是目前研究較多的方案。NASA在2016年成立了行星防御協調辦公室，對不同的行星防御方案進行研究，我國也開始逐步增加行星防御方面的投入，對不同防御方案進行研究和論證，進行相應的技術儲備，增加地球和人類的“容錯率”，盡可能降低或避免小行星撞擊地球帶來的影響。

最后，文章介紹了小行星資源開發(fā)和利用的構想和現狀。雖然距離實現小行星資源開發(fā)和利用還有很長的路要走，但是這對人類文明的發(fā)展、突破地球資源的限制，以及構建人類命運共同體至關重要，同時也為人類探索廣袤的宇宙提供更多的可能。

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