如何在三步之內(nèi)阻止殺手小行星

撞擊迫在眉睫。小行星逐漸顯現(xiàn)，鋸齒狀的巖石表面映入眼簾時(shí)，控制室內(nèi)不時(shí)傳出人們緊張的喘息聲。然后，畫面突然停止了。

在馬里蘭州勞雷爾，約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)的任務(wù)控制室爆發(fā)出了歡呼聲?！拔覀兠心繕?biāo)了！”首席工程師一邊說，一邊和身旁的同事雙手擊掌。其他人也激動(dòng)地?fù)]舞雙臂慶祝勝利，興奮地互相拍拍彼此的背。

這是一次考驗(yàn)，而人類通過了考驗(yàn)，向保護(hù)地球免受小行星撞擊邁出了關(guān)鍵的一步。這次測(cè)試是NASA雙小行星改道測(cè)試（DART）任務(wù)的重頭戲，而我是本次任務(wù)的協(xié)調(diào)負(fù)責(zé)人。2022年9月26日，雙小行星改道測(cè)試航天器成功地撞擊了小行星Dimorphos，這顆小行星的直徑約150米，當(dāng)時(shí)距離地球1100萬公里。這次碰撞輕微推動(dòng)了這顆小行星，改變了它的軌道。

控制室里的歡呼聲是多年努力工作的結(jié)晶，證明了高爾夫球車大小的航天器產(chǎn)生的動(dòng)力可以改變小行星未來的路徑。雙小行星改道測(cè)試與小行星Dimorphos的碰撞開啟了太空探索的新時(shí)代，在這個(gè)時(shí)代，行星防御技術(shù)初具雛形了。

如果某一天人們發(fā)現(xiàn)類似Dimorphos的小行星向地球飛來，像雙小行星改道測(cè)試這樣的攔截飛行器就可以提前幾年與該小行星碰撞以避免災(zāi)難的發(fā)生。以下是其工作原理。

第一步：找到并追蹤近地小行星

避免小行星撞擊地球的第一步是了解太空中有哪些近地天體（NEO），即繞近地軌道運(yùn)行的小行星。

位于智利的夏威夷大學(xué)小行星陸地撞擊持續(xù)報(bào)警系統(tǒng)（ATLAS）站點(diǎn)在這些近地天體觀測(cè)中起到了關(guān)鍵作用。2024年12月下旬，該系統(tǒng)在例行掃描太空時(shí)發(fā)現(xiàn)了一顆此前未知的近地天體。按照新天體的標(biāo)準(zhǔn)天文學(xué)慣例，這顆小行星被命名為2024 YR4。“2024 Y”代表2024年的第24個(gè)半月，即12月16日至31日。“R4”是其發(fā)現(xiàn)順序的編碼，在這種情況下，它代表了這是這一年最后幾周發(fā)現(xiàn)的第117個(gè)天體。

在此之前，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3000多個(gè)近地天體。最初，2024 YR4并不是很引人注目，它是一顆看起來很普通的小行星。不過，進(jìn)一步的觀察很快表明，它并不普通。

在2025年的前幾周內(nèi)，2024 YR4與地球相撞的可能性一直在提高。1月29日，天文學(xué)家計(jì)算出了它最終撞擊地球的概率為1.3%。由于撞擊概率超過了1%的閾值，2024 YR4觸發(fā)了國際小行星預(yù)警網(wǎng)絡(luò)（IAWN）向聯(lián)合國外層空間事務(wù)辦公發(fā)送有關(guān)潛在影響的警報(bào)。IAWN的網(wǎng)站上會(huì)公開發(fā)布這類警報(bào)。1月29日的通知評(píng)估了2024 YR4對(duì)地球上哪些地區(qū)帶來的風(fēng)險(xiǎn)最高（即風(fēng)險(xiǎn)走廊），以及如果小行星確實(shí)撞擊地球，預(yù)期會(huì)造成怎樣的損害。

平均而言，像2024 YR4這種估算直徑為60米的天體每隔1000年就會(huì)撞擊地球1次。這種小行星被視為“城市殺手”小行星，雖然它沒大到足以引發(fā)大規(guī)模滅絕，不會(huì)像直徑10公里的小行星那樣可能導(dǎo)致恐龍滅絕，但其仍然足以在距離撞擊地點(diǎn)約50公里處帶來致命傷害。幸運(yùn)的是，到2月24日，全球望遠(yuǎn)鏡的進(jìn)一步觀測(cè)已經(jīng)能夠非常精確地確定小行星的軌道，從而排除了它近期撞擊地球的可能性。

不過，小行星和地球的關(guān)系并不總是這種簡(jiǎn)單而美好的結(jié)局。另一顆尺寸類似甚至更大的小行星最終將與地球相撞。（詳見圖表“近地天體威脅數(shù)據(jù)”。）

據(jù)估計(jì)，全球的太空機(jī)構(gòu)對(duì)95%的直徑大于1公里的近地天體進(jìn)行了追蹤。國際小行星預(yù)警網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)的空間任務(wù)規(guī)劃咨詢小組（SMPAG）是監(jiān)測(cè)這些工作的全球性協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)。值得慶幸的是，以上機(jī)構(gòu)所追蹤的巨型近地天體至少在未來100年內(nèi)不會(huì)對(duì)地球造成影響。（與此同時(shí)，彗星撞擊地球的概率甚至比小行星撞擊地球的概率還要小）。

不過，我們只能追蹤已知的近地天體，還有很多潛伏著的城市殺手小行星未被發(fā)現(xiàn)，它們可能會(huì)對(duì)地球上的生命構(gòu)成真正的威脅。在直徑50米范圍內(nèi)的近地天體中，人類只發(fā)現(xiàn)了其中7%。發(fā)現(xiàn)的比例低并不是因?yàn)槲覀儑L試得不夠，而是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)小行星更難，較小的行星看起來比較大的行星更暗。

顯然，我們需要新的硬件。今年6月，智利的魯賓天文首次拍攝到了夜晚天空的圖像。未來幾年內(nèi)，該天文臺(tái)將每隔幾個(gè)晚上就通過一個(gè)8.4米望遠(yuǎn)鏡上的32億像素相機(jī)對(duì)整個(gè)可見天空進(jìn)行勘察。在尋找近地天體的歷史上，沒有任何地面望遠(yuǎn)鏡能夠媲美魯賓天文臺(tái)。除了近地天體搜索之外，NASA還將發(fā)射近地天體勘測(cè)者號(hào)（NEO Surveyor），這是一架紅外太空望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃最早于2027年發(fā)射。預(yù)計(jì)這兩臺(tái)新設(shè)備將共同發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆我們從未發(fā)現(xiàn)過的近地小行星。至于直徑140米或更大的天體，預(yù)計(jì)這兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的數(shù)量將占其整體數(shù)量的90%。

一旦發(fā)現(xiàn)近地天體，天文學(xué)家就會(huì)定期跟蹤它的軌道，并推斷未來一個(gè)世紀(jì)內(nèi)它的軌跡。因此，任何已登記在案（例如收錄在NASA或歐洲航天局的數(shù)據(jù)庫中）的近地天體都很有可能會(huì)提前數(shù)十年發(fā)出預(yù)警。理想情況下，這將為開發(fā)和部署航天器留出充足的時(shí)間，以便我們更多地了解相關(guān)天體，并在必要時(shí)使這些“任性的”巖石改變軌跡。

第二步：近距離觀測(cè)小行星

假如小行星2024 YR4與地球相撞的可能性上升而非下降，那么撞擊預(yù)計(jì)將于2032年發(fā)生，因此這種情況特別令人擔(dān)憂。

小行星2024 YR4的軌道細(xì)長(zhǎng)，因此2025年5月中旬之后，我們就無法從地球上觀測(cè)到它了。所以，在2028年6月左右它再次穿過我們?cè)谔栂抵械膮^(qū)域之前，即便是使用最靈敏的望遠(yuǎn)鏡，我們也無法看到它。

在另一種情況下，我們將不得不等待3年才能發(fā)射偵察任務(wù)，以便近距離研究該天體。只有這樣，我們才會(huì)知道接下來要采取什么措施才能在4年后小行星注定要造訪地球之前，將其從地球旁引開。

實(shí)際上，2025年1月底和2月初，空間任務(wù)規(guī)劃咨詢小組就針對(duì)2024 YR4進(jìn)行了初步討論。不過，由于這顆小行星與地球相撞的風(fēng)險(xiǎn)很快降至為零了，因此該小組沒有提出具體的建議。

雙小行星改道測(cè)試和NASA的“露西號(hào)”（Lucy）任務(wù)將為2028年的偵察任務(wù)奠定基礎(chǔ)，2023年，后者飛越了Dinkinesh小行星。近地天體偵察飛機(jī)只有寶貴的幾秒鐘來捕捉有關(guān)目標(biāo)小行星的所需數(shù)據(jù)。當(dāng)然，在小行星周圍的軌道上部署一艘偵察飛船可以實(shí)現(xiàn)更詳細(xì)的觀測(cè)。不過，很少有近地天體軌道能提供飛越之外的任何部署機(jī)會(huì)，尤其是在時(shí)間緊迫的情況下。

無論軌道如何，對(duì)于偵察任務(wù)而言，最重要的問題是這顆小行星是否真的會(huì)在2032年與地球相撞。如果會(huì)，它會(huì)撞到地球的什么地方？未來的撞擊位置可能會(huì)縮小到100公里以內(nèi)。

該任務(wù)可能還會(huì)揭示一些復(fù)雜的情況。首先，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)小行星實(shí)際上是多元的，約15%的近地天體被認(rèn)為有二級(jí)天體繞行，也就是說，它們是有衛(wèi)星的小行星。有些小行星實(shí)際上是一堆飛行的巖石。

確定小行星的質(zhì)量則是另一個(gè)難題。我們需要知道它的質(zhì)量才能計(jì)算它在撞擊時(shí)可能造成的傷害，以及使其改道所需的能量。

遺憾的是，測(cè)量城市殺手小行星質(zhì)量的技術(shù)還不存在。雖然可以通過測(cè)定偵察飛船上的引力來測(cè)量直徑1公里左右的較大小行星的質(zhì)量，但這種方法無法用于測(cè)量較小的小行星的質(zhì)量。目前，我們能采用的最佳方式是通過近地天體飛行過程中的近距離成像來測(cè)量小行星的物理尺寸，并推斷其成分，從而估算其質(zhì)量。

在執(zhí)行偵察任務(wù)之前，我們需要及時(shí)解決這些挑戰(zhàn)，因?yàn)橐愿哌_(dá)每小時(shí)9萬公里速度飛行的航天器會(huì)飛過形狀可能不規(guī)則的天體或半籠罩在黑暗中的天體。因此，現(xiàn)在解決這些問題，而不是等到實(shí)際威脅出現(xiàn)時(shí)再解決，可能才是明智之舉。

第三步：改變小行星的方向

如果偵察任務(wù)確實(shí)得出結(jié)論，表明殺手小行星即將撞擊地球且撞擊日期更接近了，該怎么辦？以2024 YR4為例，對(duì)于地球上一個(gè)城市大小的地區(qū)而言，2032年12月22日可能會(huì)非常糟糕。即便這顆小行星墜入海洋，我們也需要借助地質(zhì)和海洋計(jì)算機(jī)模型來預(yù)測(cè)海嘯的風(fēng)險(xiǎn)。如果相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)很小，那么世界各國（地區(qū)）領(lǐng)導(dǎo)人和近地天體顧問可能會(huì)選擇讓小行星繼續(xù)運(yùn)行。

另一方面，如果小行星正處于要撞擊人口稠密地區(qū)的軌道上，那么就有必要發(fā)射一架航天器來改變小行星的方向以防止撞擊。

在這方面，雙小行星改道測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)很有啟發(fā)性。首先，航天器撞擊的沖擊力是有限的。目前尚不清楚雙小行星改道測(cè)試大小的偏轉(zhuǎn)航天器是否具備足夠的力量，能否推動(dòng)類似2024 YR4的小行星避開地球。此外，撞擊小行星的航天器造成的小行星輕微位移有可能導(dǎo)致它墜入一個(gè)更糟糕的地方，從而造成更多的傷害。如果這顆小行星的結(jié)構(gòu)只是松散地結(jié)合在一起，那么一次類似雙小行星改道測(cè)試的撞擊就可以能將其打碎成多個(gè)更小的碎石堆，其中一個(gè)或多個(gè)碎石堆可能仍會(huì)墜落在地球上。因此，任何偏轉(zhuǎn)任務(wù)都必須經(jīng)過審慎考量。

其他小行星防御技術(shù)也值得考慮。雖然其他選擇尚未經(jīng)過測(cè)試，但我們不妨在沒有任何危險(xiǎn)的時(shí)候展開研究。

例如，如果我們有幾十年的準(zhǔn)備時(shí)間，就可以派一艘交會(huì)航天器進(jìn)入殺手小行星的軌道，慢慢地持續(xù)對(duì)其采取行動(dòng)。研究人員建議使用這種航天器的重力將小行星拖離其軌道或使用離子束發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸推動(dòng)它。在幾年或幾十年的時(shí)間里，航天器可以使用一種或兩種技術(shù)，讓小行星的軌道發(fā)生足夠大的變化，從而防止其撞擊地球。

不過，如果時(shí)間緊迫，選擇就少了很多。如果情況非常嚴(yán)重，一顆巨大的小行星可能會(huì)沖向人口稠密的地區(qū)，那么使用核爆炸來破壞小行星或使其改道則是一種可以考慮的方案。這也是1998年大片《世界末日》以及2021年網(wǎng)飛的諷刺劇《不要抬頭》的前提。雖然很荒謬，但在別無選擇的情況下也是值得考慮的。

當(dāng)然，行星防御的整體理念是尋找方案，并盡可能提前準(zhǔn)備。有一些國家目前已經(jīng)在太空中執(zhí)行行星防御任務(wù)，或計(jì)劃在未來幾年內(nèi)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。

2024年，歐洲航天局發(fā)射了其“赫拉”（Hera）任務(wù)，該任務(wù)將于2026年晚些時(shí)候與雙小行星改道測(cè)試撞擊的小行星系統(tǒng)會(huì)合，以調(diào)查2022年雙小行星改道測(cè)試偏轉(zhuǎn)測(cè)試的效果。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的“隼鳥2號(hào)”（Hayabusa2#）將于2026年飛越近地天體，并在2031年與另一顆小行星會(huì)合。這是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)最初的“隼鳥2號(hào)”任務(wù)的下一個(gè)篇章，2020年，“隼鳥2號(hào)”任務(wù)帶回了小行星龍宮（Ryugu）的樣本。中國則計(jì)劃于2027年發(fā)射一個(gè)與雙小行星改道測(cè)試類似的動(dòng)力撞擊器演示任務(wù)，同時(shí)還會(huì)發(fā)射一個(gè)觀測(cè)航天器用于觀測(cè)。

2029年，直徑340米的小行星阿波菲斯（Apophis，以埃及的混亂和黑暗之神的名字命名）將在距離地球3.2萬公里處經(jīng)過，這個(gè)距離比一些地球同步衛(wèi)星與地球的距離還要近。阿波菲斯將在2029年4月13日經(jīng)過該區(qū)域。雖然它不會(huì)撞擊地球，但其近距離通過促使聯(lián)合國將2029年定為了“國際小行星認(rèn)知和行星防御年”。這顆小行星非常亮，人們可以在歐洲、亞洲和非洲的部分地區(qū)肉眼看到它。NASA已經(jīng)調(diào)整了OSIRIS-Rex宇宙飛船（該飛船于2023年將小行星貝的樣本帶回了地球）的方向，使其能夠與阿波菲斯交會(huì)。重新命名的OSIRIS-APEX任務(wù)將為天文學(xué)家提供重要的機(jī)會(huì)，使其能夠進(jìn)一步完善我們測(cè)量近地小行星并了解其特征的方式。

NASA和FEMA的2024年行星防御演習(xí)

2024年，NASA和聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局（FEMA）圍繞假定的小行星撞擊威脅發(fā)起了一次跨部門桌面演習(xí)。在虛構(gòu)的場(chǎng)景中，望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了一顆近地天體，并計(jì)算得出該天體在2038年與地球撞擊的可能性為72%。我擔(dān)任了本次桌面演習(xí)的主持人，此次桌面演習(xí)旨在進(jìn)一步探討和尋找機(jī)會(huì)針對(duì)真實(shí)的“殺手小行星”場(chǎng)景尋找壓力測(cè)試新方法。

在演習(xí)中，我們引入了一個(gè)復(fù)雜的因素，那就是，近地天體的大小仍然難以確定，它是一個(gè)直徑60米的城市殺手，還是一個(gè)直徑800米的天體，可能摧毀一個(gè)國家？如果是后者，將有 1000 多萬人的生命和生計(jì)受到威脅。

為了專注于演習(xí)，我們將重點(diǎn)集中在了假設(shè)的近地天體的探測(cè)，以及隨后的決策和下一步行動(dòng)上。我們跟蹤了探測(cè)后展開的討論和決定。一些美國機(jī)構(gòu)和組織以及聯(lián)合國外層空間事務(wù)辦公室和國際合作伙伴參加了相關(guān)活動(dòng)。

演習(xí)暴露的關(guān)鍵短板在于，當(dāng)前快速部署空間任務(wù)以偵察小行星威脅和防止撞擊地球的能力嚴(yán)重不足。假設(shè)情景的巨大不確定性表明，人類有必要具備快速獲取有關(guān)小行星的更精準(zhǔn)信息的能力。

一名匿名參與者在演習(xí)快速回顧報(bào)告中表示：“我知道我傾向于（怎樣的方案），但國會(huì)要求我們繼續(xù)觀望?！?/p>

雖然近地天體研究人員會(huì)繼續(xù)收集新的數(shù)據(jù)并發(fā)展新的洞見和觀點(diǎn)，我們也希望這會(huì)促成更好、更強(qiáng)大的行星防御體系，但亙古不變的真理始終如初，在這場(chǎng)生死博弈中，人類永遠(yuǎn)無法選擇小行星，而小行星可以選擇何時(shí)降臨。

來源：悅智網(wǎng)

編輯：辣條

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