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當小行星來襲,除了讓地球流浪,我們還能怎麼做?


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1908年6月30日,一顆直徑約30-50米的小天體在俄羅斯通古斯河地區上空發生爆炸,爆炸當量等效約1000顆廣島原子彈,摧毀了超過2000平方公裏的森林。中心區70公裏範圍很多人被灼傷,歐洲許多電燈熄滅,陷入黑暗和恐慌。這是上世紀地球上最嚴重的一次小天體撞擊事件。為了警示人類小天體撞擊的威脅,2014年皇後樂隊成員、天文學家 Brian May、B612基金會Danica Remy、阿波羅9號宇航員Rusty Schweickart和電影制作人Grig Richters聯合發起了小行星日活動,2016年聯合國正式將每年6月30日列為國際小行星日。

通古斯事件中倒塌的樹木(圖片來源:the Leonid Kulik Expedition)

其實,「天外來客」拜訪地球並不罕見。根據科學家研究,地球地質曆史上,發生了22次不同程度的生物滅絕,至少11次與小天體撞擊相關。新生代以來,在距今6500萬年、3400萬年、1500萬年、240萬年、110萬年、70萬年前均發生過公裏級小天體撞擊地球事件。比如恐龍突然滅絕,目前科學界最普遍的說法是一顆小行星撞擊地球導致的。

那麼,我們怎麼對付這些不速之客呢?

天外來客都有誰?

飛向地球的小天體包括小行星和彗星。小行星和彗星都圍繞太陽運行,區別在於彗星含有較多的揮發性物質,在靠近太陽時會明亮的慧尾。

 小行星(上)和彗星(下)(圖片來源:wikipedia、mikesastrophotos.com)

小行星是太陽系形成之初遺留的殘餘物質。如果把太陽系的形成比喻成建設一座高樓大廈,小行星就是高樓大廈建設完成後,剩餘的建築材料。小行星個頭小,沒有大氣、火山、地震等氣候地質活動演化,因此還保留著太陽系形成之初的原始物質。有科學假說認為,地球上的水可能是小行星撞擊帶來的,支持地球早期生命起源的關鍵物質可能也源於小行星撞擊。因此開展小行星的研究對揭示太陽系起源與早期演化、地球上生命起源和水的來源等重大科學問題具有重要意義。

截至2020年6月,人類已經發現了接近100萬顆小行星。其中,絕大部分小行星分布在火星和木星之間的小行星帶,被稱為主帶小行星。有科學家推斷,在火星和木星的軌道之間原本應該還有一顆行星,但在木星的引力擾動和撞擊作用下,這顆行星胚胎演變成了小行星帶。

主帶小行星(紅)和近地小行星(藍)(圖片來源:NASA)

小行星帶中的部分小行星,軌道運動與木星的軌道運動形成共振,在木星的引力擾動下,會從火星和木星軌道之間進入到地球軌道附近。一般將進入地球軌道4500萬公裏(約0.3個天文單位)範圍內的小行星稱為近地小行星。

根據軌道分布,近地小行星可以分成四個族群:阿莫爾族、阿波羅族、阿登族和阿提拉族。

 近地小行星族群(圖片來源:NASA)

阿莫爾族小行星分布在地球軌道外側,與地球軌道不存在交叉點。

阿波羅族小行星的軌道近日點在地球軌道內側,遠日點在地球軌道外側,並且平均軌道半徑大於地球的軌道半徑。阿波羅族小行星的軌道與地球軌道存在交叉點,因此存在撞擊地球的可能性。

阿登族小行星的軌道近日點在地球軌道內側,遠日點在地球軌道外側,並且平均軌道半徑小於地球的軌道半徑。阿登族小行星的軌道與地球軌道存在交叉點,也存在撞擊地球的可能性。

阿提拉族小行星分布在地球軌道內側,與地球軌道不存在交叉點。

需要說明的是,在天體引力、太陽風、熱輻射等複雜環境因素作用下,小行星的軌道會發生改變,對地球沒有威脅的阿莫爾族小行星可能演化成可能撞擊地球的阿波羅族小行星。

小行星撞擊會帶來哪些危害?

6500萬年前的那一天,如果有恐龍恰巧站在北美抬頭看天空,會看到一顆星星越來越亮。事實上,那是一顆正以20公裏每秒速度向地球高速飛馳而來的小行星。不久後,天空亮如白晝,這顆直徑約10公裏的小行星穿過了大氣層,撞向墨西哥尤卡坦半島海灣。

小行星在海底撞出了一個直徑約180公裏的巨大隕石坑,釋放的能量等效10億顆廣島原子彈。高速撞擊掘起大量海底物質拋向平流層。巨大的海嘯吞噬了整個墨西哥灣,沿岸變成一片汪洋。尤卡坦半島方圓2400公裏內的大氣變得熾熱,引發了巨大的森林山火。隨著地球的轉動,地球70%的森林被點燃。

尤卡坦半島希克蘇魯伯隕石坑藝術重建圖(圖片來源:DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE)

塵埃和濃煙彌漫在平流層,地球表面被濃厚的煙霧和塵埃覆蓋,遮蔽了大部分陽光,全球進入一個長達幾十年的「冬天」。植物光合作用近乎停滯,地球生態鏈遭到巨大破壞。氣候環境的驟變對地球生物造成了毀滅性打擊,最終導致了包括恐龍在內的全球超過75%的物種滅絕。

1994年7月17日至22日,5天多時間內,蘇梅克-列維9號彗星的20多塊碎片接二連三撞擊了木星,相當於在130多個小時中,在木星上空不間斷地爆炸了20億顆原子彈。這是人類第一次目擊太陽系大型天體撞擊事件,引發了人類對地球和自身命運的思考。

2013年2月15日上午,一顆約直徑18米的小行星從太陽方向飛馳而來,在俄羅斯車裏雅賓斯克地區上空爆炸,爆炸當量等效約30顆廣島原子彈。盡管大部分能量在高空釋放,但爆炸產生的沖擊波及熱輻射還是導致了約1500人受傷,3000餘棟房屋受損,損失超過2億人民幣。這是發生在地廣人稀的俄羅斯西伯利亞地區,如果發生在人口稠密的大城市,後果不堪設想。最可怕的是,這顆小行星是從太陽方向飛來,處於地基光學望遠鏡的觀測盲區,因此這顆小行星是在人類毫無覺察的情況下闖入大氣層、發生爆炸、並且造成嚴重後果的。幸運的是,這顆小行星的直徑僅有約18米。

 車裏雅賓斯克事件(圖片來源:Sergey Zhabin)

小行星撞擊的危害與小行星的尺寸、材質、進入速度、進入角度、撞擊地表材質等因素相關,可能在空中發生爆炸、解體、撞擊地表形成隕石坑、撞擊海洋引發海嘯等多物理過程,產生沖擊波、熱輻射和光輻射。如果撞擊足夠劇烈,熱輻射還會引發森林大火,將地表物質拋射到平流層,引起冰室效應或者溫室效應,甚至改變全球氣候生態環境,進而引發物種滅絕。

直徑米級小行星會在大氣層中發生爆炸,形成火流星事件,可能會有隕石墜落到地面,但一般不會對人類造成威脅。2017,2018,2019年連續三顆火流星襲擊了我國雲南香格裏拉、西雙版納和吉林松原地區,引起了較大的社會反響。

直徑20米級小行星會造成城鎮級危害。人類尚沒有對直徑20米級的小行星開展編目的能力,未來可部署天基望遠鏡對小尺寸小行星進行即時預警。

直徑50米級小行星會造成大中型城市級災難。通古斯大爆炸的焚毀面積等效於北京市城八區和深圳市區大小之和。

直徑140米級小行星會造成區域級災難,能夠對一個省或者一個小型國家面積的區域造成損傷。天文學上,將直徑大於140米,與地球最小軌道交叉距離小於750萬公裏(0.05天文單位)的小行星稱為潛在威脅小行星。

直徑350米級小行星會造成大陸級災難,能夠對歐洲面積區域造成損傷。

直徑600米的小行星可以造成最小級別的全球性災難,直徑1公裏的小行星可以造成中等級別的全球性災難,直徑5公裏級的小行星可以造成大型全球性災難,直徑10公裏級的小行星可以造成全球大規模物種滅絕。所幸,直徑公裏級的近地小行星已經基本編目完畢。在未來幾百年,不會有直徑公裏級的小行星存在撞擊地球風險。

如果小行星來襲,我們咋辦?

全世界科學家提出了多種減緩小行星撞擊威脅的招數<5>。

第一招:躲

如果預警時間較短,或者小行星尺寸不足以造成大的危害,可以像「地堡男孩」一樣躲進地下掩體,暫避小行星的鋒芒。

第二招:炸

在短期預警條件下,核爆是唯一能夠有效摧毀小行星結構或者偏轉小行星軌道的方法。現有國際法禁止在外太空使用核武器,核爆還會引起核安全和核汙染問題。在2019年第六屆行星防禦模擬演習中,就因為爭議,最終未能實施核爆,導致防禦失敗,一顆直徑幾十米的小行星碎片撞擊了紐約,將中央公園方圓15公裏範圍區域夷為平地。

第三招:「撞」

利用飛行器高速撞擊小行星,在不破壞小行星結構的條件下,瞬間改變小行星的速度。利用時間累積效應,逐漸偏轉小行星的軌道。2021年,NASA將發射「雙小行星重定向測試」任務,利用一枚約500公斤的飛行器,撞擊Didymos雙小行星系統中的「小月亮」,以驗證動能撞擊技術。

 「雙小行星重定向測試」任務(圖片來源:NASA)

受運載能力和包絡限制,人造撞擊體質量一般不超過十幾噸,盡管撞擊速度可高達十公裏每秒,但對於千萬噸級的小行星,猶如「以卵擊石」。「雙小行星重定向測試」任務對小行星速度增量改變量不超過2mm/s。以單次動能撞擊任務的偏轉能力,需要10年、15年甚至更長時間,才能有效防禦直徑140米級小行星。

第四招:「牽」

2005年美國華裔宇航員盧傑提出利用一個飛行器盤旋在小行星軌道前方,通過飛行器與小行星之間的萬有引力「牽引」小行星,持續而緩慢地改變小行星的軌道,被稱為引力拖車。「牽引」小行星一般需要20年以上的作用時間。

引力拖車示意圖(圖片來源:Dan Durda/B612 Foundation)

第五招:「燒」

使高能激光器作用於小行星表面,利用表面燒蝕產生的等離體子體噴射產生反作用力,持續偏轉小行星軌道。也有學者提出通過太陽能聚光燒蝕小行星表面。一般認為,燒蝕方法偏轉小行星軌道需要較長的作用時間。

激光燒蝕小行星(圖片來源:Q。
Zhang)

第六招:「噴」

利用飛行器攜帶的離子推進系統產生高速的離子束,作用於目標小行星表面,對小行星產生持續作用力,進而改變小行星的運行軌道。一般認為,離子束偏轉小行星軌道也需要較長的作用時間。

第七招:「推」

利用飛行器捕獲小行星或者將發動機錨定在小行星表面,直接利用發動機推力改變小行星軌道。拖船技術屬於接觸式防禦方法,由於小行星自轉及結構材質不確定性,技術實施難度極大。

2013年,NASA提出了「小行星重定向」任務,計劃捕獲一塊不超過1000噸的太空岩石,並將其拖到地月空間,驗證載人深空探測關鍵技術。「小行星重定向」任務還計劃利用岩石與飛行器構成組合體,測試加強型引力拖車「牽引」小行星的軌道。盡管「小行星重定向任務」在2017年被特朗普政府取消,但NASA仍對小行星操控的技術路線做了深入的研究。

美國小行星重定向任務(圖片來源:NASA)

此外,還有一些腦洞大開的方案,比如在小行星表面噴塗一層白漆,改變小行星的反射率,進而改變太陽光壓和雅科夫斯基效應;利用挖掘機在小行星表面施工,將石塊高速拋射出去。

盡管對付小行星的方法眾多,但短期預警條件下,核爆仍然是有效防禦大尺寸小行星的唯一手段。核爆之外,動能撞擊是目前最為成熟的小行星防禦方法,但經典動能撞擊需要很長時間才能發揮作用。發展較短時間內能夠有效摧毀或者偏轉小行星軌道的新型非核防禦方法是未來發展趨勢。

從「以卵擊石」到「以石擊石」

決定動能撞擊防禦小行星效果的關鍵因素是撞擊體的動量。動量由撞擊體質量和撞擊速度決定。由於強大的地心引力,利用人類最強大的運載火箭,發射到深空撞擊小行星的軌道,撞擊體重量一般也不會超過20噸。即使撞擊速度可達到數公裏每秒甚至十幾公裏每秒,面對千萬噸級的小行星,幾噸甚至十幾噸的人造撞擊體顯得無比渺小。

如此看來,人造撞擊體的質量是動能撞擊方案的一大制約因素。依據現有技術水平,難道動能撞擊方案已經到達瓶頸了嗎?其實不然,既然「小行星重定向」任務能夠捕獲一顆百噸級空間岩石,並操控岩石變軌到地月空間,那麼我們也可以操控這塊岩石撞向危地小行星。

「以石擊石」任務概念正是利用了空間中「就地取材」的思想,從地面發射無人航天器,在空間捕獲岩石並操控其撞向危地小行星。這樣便可以突破地面運載火箭能力的約束,將撞擊體質量從十幾噸顯著提升到百噸級,最終顯著提升小行星的偏轉效率。

值得一提的是,這塊空間岩石並不是隨便選取的,而是自然軌跡就與危地小行星擦肩而過的,這樣,利用較少的燃料就可以操控岩石與危地小行星撞擊。

「以石擊石」行星防禦任務概念(圖片來源:中國科學院國家空間科學中心)

以偏轉阿波菲斯小行星為例,我們對「以石擊石」行星防禦方案開展了數值仿真,對利用「以石擊石」偏轉小行星軌道的能力進行了論證。阿波菲斯是一顆阿登型近地小行星,被稱為「毀神星」,在埃及神話中象征古老的邪惡和毀滅之魔。它的直徑約350米,重量約為6100萬噸,在2029年與地球的最近距離約為3.8萬公裏,約為地月距離的十分之一。假設有十年預警時間,利用長征五號運載火箭,對經典動能撞擊和「以石擊石」加強型動能撞擊的偏轉效能進行了對比。

仿真結果顯示,在不考慮撞擊產生的濺射物影響的條件下,利用經典動能撞擊方法對阿波菲斯小行星的偏轉距離約176公裏,而「以石擊石」方法對阿波菲斯小行星的偏轉距離約1866公裏,相比經典動能撞擊方法提升了一個數量級。

「以石擊石」行星防禦任務方案示意(圖片來源:中國科學院國家空間科學中心)

如果經典動能撞擊是直接硬碰硬的「拳擊」較量,「以石擊石」則像「太極」功夫,通過迂回騰挪,找到「借力打力」的發力點,以「四兩撥千斤」的方式偏轉危地小行星的軌道,實現撞擊體質量和防禦效果的數量級提升。

「石」從哪裏來?

「小行星重定向」任務設計了兩種捕獲太空岩石的基本途徑:整體捕獲米級小行星、從碎石堆小行星上采集岩石。

根據近地小行星的尺寸數量分布模型,尺寸越小的小行星,數量越多。理論上,直徑10米以下的近地小行星的數量超過1億顆。由於目前觀測能力限制,直徑10米級的小行星,目前僅發現了約1000顆。隨著大型綜合巡天望遠鏡(LSST)等新一代天文望遠鏡的啟用,預計小尺寸小行星的發現速度會快速提升,為挑選合適的岩石母體提供了充足的選擇。

小行星尺寸-數量曲線(圖片來源:NASA Planetary Defense Coordination Office)

飛行器抵近米級小行星後,將自身旋轉速度調整為與小行星相同的旋轉速度,利用口袋式裝置捕獲小行星,然後利用飛行器的推進系統對組合體進行消旋。

整體捕獲小尺寸小行星(圖片來源:NASA)

此外,現有資料表明小行星多為疏松多孔的碎石堆結構<7>。日本「隼鳥一號」探測的絲川小行星、「隼鳥二號」探測的龍宮小行星、美國「源光譜釋義資源安全風化層辨認探測器」探測的貝努小行星,都是碎石堆小行星,其表面遍布大小石塊。

 碎石堆結構小行星(圖片來源:JAXA)

可以利用機械臂從碎石堆小行星上采集岩石。考慮到大尺寸小行星的軌道確定精度更高,因此從碎石堆小行星采集岩石將是更為穩妥的方案。

 碎石堆結構小行星上采集岩石(圖片來源:NASA)

如何借力打力?

太陽系中存在上億顆近地小行星,目前正以每年約2000顆的速度發現新的近地小行星。危地小行星可能會撞擊地球,小行星之間也可能會發生碰撞,也會有小行星可能撞擊危地小行星。事實上,小行星之間的碰撞是新小行星群體的一個重要來源。

如果有一顆大尺寸危地小行星將要撞擊地球。我們需要提前找到那顆與它「擦肩而過」的岩石母體。即使不變軌,在自然條件下,岩石母體與危地小行星的距離就比較接近,比如小於1500萬公裏、甚至150萬公裏。這樣才能順勢「借力打力」,而不是強行改變岩石的軌道。

與地球「擦肩而過」的小行星(圖片來源:NASA)

由於岩石自然的軌跡與危地小行星「擦肩而過」,在微重力環境下我們能夠以「四兩撥千斤」的方式,利用飛行器的推進系統輕微改變它的軌跡,使其從與危地小行星「擦肩而過」偏轉到准確擊中危地小行星,從而利用太空岩石的重量顯著偏轉危地小行星的軌道。

偏轉還是摧毀?

普遍認為核爆是唯一摧毀小行星結構的手段。但當撞擊沖量足夠大時,動能撞擊也能夠破壞小行星的結構,甚至徹底粉碎小行星。大尺寸小行星結構破壞後,更可能在大氣層中燒蝕和解體,從而降低對人類的威脅。

研究表明,撞擊能量超過100J/kg時,岩石類小行星的結構可能發生破壞<8>。但關於小行星結構破碎的臨界條件,還有待進一步研究。

在仿真案例中,對阿波菲斯小行星的撞擊能量高達235J/kg,很可能會對小行星的結構造成破壞,甚至徹底摧毀小行星。

如果能徹底摧毀小行星,「以石擊石」則可以將發揮效力的作用縮短至4年左右。當我們發現一顆直徑超過百米的小行星在五年內將要撞擊地球,除了核爆,我們又多了一種新的選擇。這種選擇規避了在外太空使用「核」的風險和爭議。

在承受百噸級岩石撞擊後,小行星是發生了軌道偏轉、還是結構被部分破壞、甚至完全破壞,結構碎片是否會重新聚合,還需要進一步開展理論分析、數值仿真和地面試驗。

寫在最後

一項空間任務,從概念提出到可行性論證到工程實施,要經曆一個漫長的過程。大量曾經讓人眼前一亮的任務概念,一直停留在紙面上,未能完成從概念到工程的轉變。

1958年,31歲的尤金·帕克提出「太陽風」概念的時候,還是一個名不見經傳的新人,「太陽風」甚至被認為是荒誕不經的理論。60年後,2018年,91歲的尤金·帕克目送「帕克」探測器飛向太陽,未來將實現人類第一次抵近太陽日冕開展原位探測。太陽風作為深刻影響太空物理科學的概念,已經被廣泛接受。

「以石擊石」提供了短時間內應對大尺寸小行星的可能的「非核」手段,也存在大量基礎關鍵技術有待突破。

恐龍統治了地球1億6000萬年,因為一顆小行星戛然而止。

人類走出非洲十萬年,發展出了今天高度發達的文明。未來,人類要繼續在地球上生存十萬年,除了面對戰爭、饑荒、洪水、地震、海嘯、火山、疫情,還要認真面對來自太空的威脅。


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