小行星撞擊地球可能導(dǎo)致恐龍滅絕的藝術(shù)想象圖 | 圖源：BBC
不久前（2022年9月底），科研人員發(fā)表論文描述了他們新發(fā)現(xiàn)的3顆小行星[1]。在這3顆小行星中，有2顆是2021年發(fā)現(xiàn)的，另外一顆是2022年1月13日發(fā)現(xiàn)的，命名為2022 AP7。他們使用位于智利的Blanco 4米望遠鏡上安裝的暗能量相機做出了這一發(fā)現(xiàn)。
2022 AP7在3顆小行星中個頭最大，直徑在1.1~2.3千米，很有可能是8年來天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的最大的潛在危險小行星（Potentially Hazardous Asteroids，PHA），而且觀測表明它還會穿過地球的軌道。由于受到其他行星引力擾動的影響，2022 AP7在未來可能會更接近地球。因此，2022 AP7又被稱為“行星殺手”。值得注意的是，雖然這3顆小行星個頭都不小，但因為位于地球軌道和金星軌道內(nèi)，在耀眼的陽光下幾乎“隱身”，所以直到近期才被發(fā)現(xiàn)。而這種情況其實并不稀奇。與氣候變化類似，小行星撞擊將很有可能引發(fā)全球危機，沒有人能獨善其身，全球協(xié)作成為必要。2022年9月27日，名為“為恐龍復(fù)仇”的DART按計劃撞向了孿小星，為人類第一次驗證小行星防御技術(shù)。那么，什么是潛在危險小行星？2022 AP7真的會威脅地球和人類嗎？面對可能的威脅，我們有什么應(yīng)對的辦法？世界各國的小行星防御計劃是杞人憂天么？本文作者為您帶來深度解讀。● ● ●
在很多人的印象中，小行星是浪漫的意象，是圣-?？颂K佩里的《小王子》中主人公生活的地方。而在天文學(xué)的定義中，小行星是太陽系內(nèi)環(huán)繞太陽運行、但是體積和質(zhì)量都遠小于行星的小天體；以冥王星為代表的矮行星，則介于行星和小行星之間。小行星因為體積小、亮度低，曾經(jīng)長期隱匿在天文學(xué)家的視野中，隨著觀測能力的逐步提高，天文學(xué)家才對小行星有更多的了解，認識到它們可能給人類帶來的威脅。近年來，特別是今年，小行星防御成為很多人關(guān)注的問題。天文學(xué)家估計，太陽系中大小不等的小行星超過100萬顆，但是絕大多數(shù)小行星與人類沒什么關(guān)系，天文學(xué)家真正關(guān)注的是近地小行星以及潛在危險小行星。近地小行星指的是軌道近日點距離在1.3AU以內(nèi)的小行星（日地平均距離為1AU，即1個天文單位，1AU=1.496*108千米）。直徑大于150米、運行軌道與地球平均軌道的最小距離小于0.05AU，大約20倍地月距離的小行星稱為潛在危險小行星。截至2022年11月初，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的近地小行星近3萬顆，其中直徑大于140米的超過1萬顆，直徑大于1千米的近千顆，而潛在危險小行星超過2000顆。2003年，美國國家航空航天局（NASA）的一個研究小組指出，直徑超過1千米的小行星撞擊地球會引發(fā)全球性災(zāi)難，而直徑超過140米的小行星撞擊地球會引發(fā)洲際災(zāi)難。因此，天文學(xué)家在觀測時，會把140米和1千米作為劃分小行星大小的分界線。此外，等效直徑50米量級和10米量級的小行星也會引發(fā)不同程度的危害。直徑為米級的小行星會引發(fā)火流星事件，一般不會給人類造成明顯的危害。首先，我們可以先長舒一口氣，因為根據(jù)目前的觀測，我們沒有現(xiàn)實存在的危險，天文學(xué)家還沒有發(fā)現(xiàn)在本世紀內(nèi)撞擊可能性超過1%的小行星，包括最新發(fā)現(xiàn)的這顆小行星2022 AP7，它的軌道可能發(fā)生變化的 “未來” 也是以百年為尺度來計算的。與此同時，我們更應(yīng)該注意到的是，由于觀測時間不長、觀測能力有限，絕大部分的近地小行星還沒有進入我們的視野，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的可能不到總數(shù)的2%，比如70%的直徑在140米以上的小行星、97%的直徑在50~140米的小行星以及99%的直徑在10~50米的小行星，我們都沒有發(fā)現(xiàn)。比如，謝潑德等人在論文中報告的3顆小行星雖然個頭都不小（除了最大的2022 AP7外，另外兩顆小行星2021 LJ4和2021 PH27的直徑分別為0.3~0.6千米和0.9~1.7千米），但是因為位于地球軌道和金星軌道內(nèi)，在耀眼的陽光下幾乎隱身，所以直到近期才被發(fā)現(xiàn)。類似的情況肯定還有很多。
圖1 謝潑德等人在論文中給出的小行星2021 PH27的軌道完全在地球軌道內(nèi)，因此不會對地球造成威脅 | 圖源：Sheppard et al.
圖2 巴林杰隕石坑 | 圖源：Wikipedia Commons第一個是導(dǎo)致恐龍滅絕的小行星撞擊事件。一種主流觀點認為，大約6600萬年前，一顆小行星撞擊地球，撞擊點在今天的墨西哥灣，由此引發(fā)的生態(tài)災(zāi)難最終結(jié)束了恐龍稱霸地球的時代。雖然恐龍滅絕的真正原因還不能蓋棺定論，但是在地球的歷史上，小行星撞擊事件對地球生命演化產(chǎn)生了巨大影響卻是科學(xué)界的共識。第二個事件是通古斯大爆炸。1908年，一顆沖進大氣層的小行星在俄羅斯西伯利亞通古斯上空發(fā)生爆炸。爆炸的威力相當于2000萬噸TNT炸藥，造成超過 2150 平方千米內(nèi)的8萬顆樹被焚毀。2013年2月15日，一顆直徑約18米的小天體進入大氣層，下降成一顆超級火球，在俄羅斯車里雅賓斯克州上空約30千米處爆炸，事件造成約上千人受傷，數(shù)千幢建筑物遭到損毀。這是距離我們時間較近的一次標志性事件。19世紀末，人們在美國亞利桑那州發(fā)現(xiàn)了巴林杰隕石坑（Barringer Crater），這個隕石坑直徑1186米、深170米，形成于大約5萬年前。5萬年前尚未有現(xiàn)代人類到達北美洲，因此我們的祖先沒有 “見證” 這一事件，但是這樣的撞擊在當時肯定對大范圍區(qū)域內(nèi)的生態(tài)造成了巨大影響。這些事件提醒我們，地球是生命的搖籃，但絕非風(fēng)平浪靜的港灣。雖然地球被小行星撞擊是概率極小的事件，但一旦發(fā)生，就會帶來區(qū)域性或全球性的影響，甚至威脅人類的存續(xù)，因此小行星防御成為擺在人類面前的共同課題。小行星防御的第一步是發(fā)現(xiàn)有可能對地球造成威脅的小行星。2022年暑期熱映的科幻喜劇電影《獨行月球》就以小行星威脅地球為背景——在電影一開始，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了飛向地球的小行星π，引發(fā)了隨后防御小行星的一系列故事。與氣候變化類似，小行星撞擊將很有可能引發(fā)全球危機，沒有人能獨善其身，全球協(xié)作成為必要。2013年的車里雅賓斯克事件，促使世界各國更加重視小行星的威脅。2014年，在聯(lián)合國和平利用外層空間委員會的框架下成立了國際小行星預(yù)警網(wǎng)（IAWN），我國于2018年2月作為正式成員加入了這個網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)實中，世界上多個國家和地區(qū)都已經(jīng)開展了對小行星的監(jiān)測，并逐步建立起監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。比如美國在1992年就啟動了近地小行星監(jiān)測預(yù)警項目，2016年還成立了行星防御協(xié)調(diào)辦公室（PDCO）。目前，超過98%的近地小行星是由美國發(fā)現(xiàn)的。在對小行星進行監(jiān)測方面，目前天文學(xué)家采用的是地基監(jiān)測為主、地基和天基監(jiān)測相結(jié)合的方式。比如，美國就利用地面上的光學(xué)望遠鏡、阿雷西博射電望遠鏡和金石（Goldstone）行星雷達等設(shè)備進行監(jiān)測。不過，在人類探索太空的歷史上有重要意義的阿雷西博射電望遠鏡由于坍塌而退役對天文學(xué)研究包括小行星防御都是一個重大的損失。《獨行月球》設(shè)定的時間背景大約在21世紀30年代，此時中國是執(zhí)行 “月盾計劃” 的主力，而在現(xiàn)實中，中國雖然在小行星防御領(lǐng)域里起步較晚，但也開始發(fā)力。
圖3 “中國復(fù)眼”項目概念圖 | 圖源：北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心
2022年7月，“中國復(fù)眼” 二期在重慶啟動。“中國復(fù)眼” 的全稱是超大分布孔徑雷達高分辨率深空域主動觀測設(shè)施項目，項目二期由20多部天線組成，每部天線孔徑達到25~30米，這些天線共同組成分布式雷達，能夠發(fā)射電磁波探測小行星并接收回波。因為天線的排布方式像是昆蟲的復(fù)眼，因此被稱為 “中國復(fù)眼”。“中國復(fù)眼” 項目分三期建設(shè)，二期建成之后，可以對千萬千米以外的小行星進行探測和成像，而在三期建成后，將把探測范圍擴大到1.5億千米（1AU）。在天基觀測方面，我國科學(xué)家也提出了 “地球領(lǐng)航軌道” 天基監(jiān)測預(yù)警望遠鏡的想法。這個計劃是在太空中部署望遠鏡，當小行星從太陽一側(cè)方向接近地球時，可以補償?shù)孛婀鈱W(xué)望遠鏡的盲區(qū)，及時發(fā)出預(yù)警。
圖4 地球領(lǐng)航軌道任務(wù)概念圖 | 圖源：國家空間科學(xué)中心
探測并發(fā)現(xiàn)有潛在威脅的小行星只是第一步，人類還需要采取有效的措施來阻止這些小行星真正撞擊地球。目前，科學(xué)家提出的防御思路主要有兩大類：一個是摧毀小行星，這是電影中采取的方式，但現(xiàn)階段實施難度較大，風(fēng)險也較大；另一個是通過撞擊等方式使小行星的軌道發(fā)生改變，從而避免與地球相撞，以這一思路為指導(dǎo)的研究相對成熟，正在進行中。美國國家航空航天局和歐洲航天局（ESA）聯(lián)合開展了 “小行星撞擊偏轉(zhuǎn)評估計劃”（AIDA）。作為計劃的一部分，2021年11月24日，美國國家航空航天局成功發(fā)射了 “雙小行星重定向測試”（DART），這是人類歷史上第一個小行星防御試驗任務(wù)，任務(wù)目標是通過動能撞擊來改變小行星的軌道，驗證小行星防御技術(shù)。DART的目標是一個雙小行星系統(tǒng)，兩顆小行星中較大的一顆直徑約780米，叫作 “迪迪莫斯”（Didymos），較小的一顆直徑約160米，叫作 “迪莫弗斯”（Dimorphos），它們又被稱作孿大星和孿小星。2022年9月12日，探測器釋放了一顆用于收集撞擊數(shù)據(jù)的伴飛小衛(wèi)星。2022年9月27日，DART按計劃撞向?qū)\小星，撞擊器的質(zhì)量為550千克，撞擊相對速度為6.6千米/秒。根據(jù)預(yù)想，撞擊將會使孿小星產(chǎn)生微小的速度變化，從而影響它環(huán)繞孿大星的周期。根據(jù)地面觀測設(shè)備和小衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)，這次撞擊實現(xiàn)了預(yù)期目標，取得了圓滿成功。
圖5 DART工作的藝術(shù)想象圖 | 圖源：NASA
深諳公眾傳播套路的美國國家航空航天局為這次任務(wù)給出的宣傳主題是 “為恐龍復(fù)仇”，吸引了不少眼球，但中國古話說 “冤有頭債有主”，即使小行星撞擊地球是導(dǎo)致恐龍滅絕的真正原因，也不關(guān)無辜的孿小星什么事兒。事實上，孿小星距離地球1100萬千米，科學(xué)家選擇這樣一個遙遠的目標，在于確保這顆本來就不會威脅地球的小行星在被撞擊后仍然不會對地球產(chǎn)生任何威脅。除了研發(fā)新一代觀測設(shè)備外，我們國家也制定了類似的動能撞擊測試計劃。在2021年中國航天日（4月24日），中國國家航天局表示將論證實施探月工程四期、行星探測工程、國際月球科研站和近地小行星防御系統(tǒng)。在2022年的中國航天日，國家航天局給出了更清晰的小行星防御計劃——中國將著手組建近地小行星防御系統(tǒng)，共同應(yīng)對近地小行星撞擊的威脅，為保護地球和人類安全貢獻中國力量。具體來說，中國計劃在2025年或2026年進行一次技術(shù)實驗，對某一顆有威脅的小行星，進行抵近觀測并實施就近撞擊。除了相對成熟的動能撞擊方案外，我國科學(xué)家還提出了其他思路，比如 “以石擊石” 和 “末級擊石”。所謂 “以石擊石”，就是在太空中捕獲一顆較小的小行星，然后操控這個小行星去撞擊對地球有威脅的大尺寸小行星，最終使有威脅的小行星偏轉(zhuǎn)出撞向地球的軌道。捕獲小行星不僅可以防御小行星，還可用于未來的太空采礦，在商業(yè)太空領(lǐng)域中也有可觀的應(yīng)用前景。而“末級擊石”指的是航天器進入深空逃逸軌道后，火箭末級與航天器不實施星箭分離，由航天器操控末級組合體撞向有威脅的小行星，從而充分利用火箭末級的剩余重量，提升撞擊小行星的動量，進而提升小行星軌道偏轉(zhuǎn)能力。圖6 “以石擊石”任務(wù)概念圖 | 圖源：國家空間科學(xué)中心
最后說幾句題外話。我們之所以還有足夠的時間來討論主動進行小行星防御，一個忽略的背景是我們的地球更確切地說是大氣層為我們提供了足夠的保護。大量進入地球大氣層的小天體在大氣層中就被燒毀，不僅形成了美麗的流星，更保護了人類和地球上的其他生命。我們可以拿火星進行對比。2022年10月27日，研究人員在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表了一篇論文，報告了洞察號和火星勘測軌道飛行器合力發(fā)現(xiàn)的兩次近期在火星表面發(fā)生的隕石撞擊事件。較早一次發(fā)生在2021年9月18日，在一組撞擊坑中，最大的一個直徑在130米左右；較晚一次發(fā)生在2021年12月24日，撞擊坑的直徑大約為150米。直徑150米的撞擊坑如果出現(xiàn)在地球上，至少會對一個城市造成災(zāi)難性的影響。其實撞出這個坑的隕石的直徑估計只有5~12米，這個大小的隕石會在地球大氣層中完全燒毀?？墒牵鹦谴髿獾拿芏戎挥械厍虼髿饷芏鹊?%，因此這顆隕石幾乎是毫無阻礙地撞向火星表面。
圖7 2021年12月24日，一顆隕石撞擊火星表面形成的隕石坑 | 圖源：NASA
小行星防御不再是為恐龍復(fù)仇，而是為了保護人類自己，避免毀滅性災(zāi)難的發(fā)生。雖然地球曾經(jīng)遭受過不計其數(shù)的小行星的撞擊，地球生命史中也反復(fù)上演著毀滅和重生的故事，但在迄今為止人類文明的時間尺度上，我們大可不必惶惶不可終日。目前，小行星防御技術(shù)還處于論證和初步試驗階段，未來發(fā)展成熟后，將為人類打造一塊強大的盾牌，從而令科幻電影中的情節(jié)停留在虛構(gòu)，避免人類重蹈恐龍的覆轍。
[1] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac8cff
[2] https://noirlab.edu/public/news/noirlab2226/
[3] https://cneos.jpl.nasa.gov/stats/
[4]吳偉仁,龔自正,唐玉華,張品亮.近地小行星撞擊風(fēng)險應(yīng)對戰(zhàn)略研究[J].中國工程科學(xué),2022,24(02):140-151.
[5]鄒小端.開啟地球保衛(wèi)戰(zhàn)——PSI行星科學(xué)研究所博士后研究員鄒小端談如何防御小行星[J].太空探索,2017(12):26-28.
[6] https://www.cas.cn/kx/kpwz/202201/t20220113_4822058.shtml
[7] https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/4/369233.shtm
[8] http://www.nssc.ac.cn/xwdt2015/kydt2015/202106/t20210630_6122038.html
[9] http://www.nssc.ac.cn/xwdt2015/kydt2015/202105/t20210521_6036153.html
[10] LI Mingtao,WANG Kaiduo.Progress of Planetary Defense Research in China[J].空間科學(xué)學(xué)報,2022,42(04):830-835.
[11]
https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-s-insight-lander-detects-stunning-meteoroid-impact-on-mars
