本刊記者/李明子

在長篇科幻小說《三體》中,人類爲抵抗外星文明種羣三體人的入侵,成立了行星防禦理事會,這個組織後來演變爲太陽系艦隊的最高指揮機構。可惜由於地球與三體文明的科技代差,太陽系艦隊幾乎全軍覆沒,地球陷入混亂。

現實中,2021年10月23日,第一屆全國行星防禦大會在廣西桂林召開。儘管在距離太陽系4光年外真的發現了半人馬座α星的三體星系,但人類目前對遙遠的系外行星還知之甚少。全國行星防禦大會的研討對象是潛在危險更爲緊迫的近地小行星。

僅2021年,近地小行星飛掠事件就發生了1074次,科學家觀測到有21顆小行星進入大氣層。小行星飛行速度快,撞擊能量大,給人類造成了極大威脅。

今年4月24日中國航天日當天,國家航天局副局長吳豔華在媒體上表示,中國將着手組建近地小行星防禦系統,共同應對近地小行星撞擊的威脅,爲保護地球和人類安全貢獻中國力量。

“殺手”小行星

2029年4月13日,在這個平凡的週五晚上,不出意外的話,一顆曾被視爲“最具潛在危險的小行星”阿波菲斯將從北京上空自東南向西南劃過。如果沒有烏雲遮擋,肉眼便能看到,當阿波菲斯再度迴歸地平線時,其亮度將達到最高。

這顆直徑約爲325米的小行星正以每秒30多千米的速度繞着太陽公轉,它的軌道半長軸小於1個天文單位(AU),即小於地球到太陽的平均距離。每當這顆小行星接近和離開太陽時,其軌道都會與地球軌道相交。一旦發生撞擊,將釋放出相當於15.3億噸TNT炸藥爆炸時的能量,威力相當於“小男孩”原子彈爆炸時的十萬倍。

2004年6月19日,夏威夷大學在美國亞利桑那州基特峯國立天文臺的研究人員發現了這顆小行星,該研究由美國國家航空航天局(NASA)贊助。隨後半年,科學家對這顆小行星進行了近200次觀測。經計算,這顆小行星有1/450的可能性將於2029年撞擊地球,它也因此得名“阿波菲斯”(古埃及黑暗、混亂和破壞之神),它的中文名稱更爲言簡意賅——毀神星。

後經反覆計算,NASA在2004年12月28日宣佈,排除這顆小行星與地球相撞的可能。不過,阿波菲斯飛越地球時,離地表最近距離僅有3.84萬千米,不到地月平均距離的1/10。

小行星,指的是沿橢圓軌道圍繞太陽公轉的自然形成的固態小天體。天文學家認爲,它們由太陽系形成過程中沒有形成行星的殘留物質演變而來,有人乾脆稱小行星爲“太陽系碎片”。

至於小行星的大小,國際上並沒有統一定義。NASA將小行星尺寸下限定爲“直徑1米”,也有觀點認爲最小直徑爲10米。北京大學地球與空間科學學院教授焦維新解釋說,因爲只有直徑10米以上的小天體在進入地球大氣層時纔不會被燃燒殆盡。截至1990年,直徑約945千米的穀神星被認爲是太陽系最大的小行星,不過它現在被重新定義爲“太陽系中最小的矮行星”。

如果將太陽系八大行星的公轉軌道畫成同心圓,絕大多數小行星分佈在火星和木星軌道之間,這個區域也被稱爲主小行星帶,穀神星就是其中最亮的一顆。目前有98.5%的小行星在主帶被發現,其中已被編號的就有120437顆。

而對地球有撞擊威脅的主要是近地小行星,即公轉軌道與地球軌道相交或距離非常近的小行星。

當小行星與地球的最小軌道交會距離小於等於0.05AU,絕對星等小於等於22時,便被視爲“對地球有潛在危險的小行星(PHAs)”。絕對星等是用來比較天體不受距離影響的光度的單位,絕對星等值越小,星星就越亮,通常體積也越大,一旦發生撞擊,造成的危害也就越大。

這些小行星在受到引力擾動或相互撞擊時,大概率會偏離原有軌道,當其接近地球軌道時,很可能與地球發生碰撞,地球表面的隕石坑便是有力證明。大約6550萬年前,包括恐龍在內的絕大部分地球動植物滅絕,其中一種原因猜想便是“隕石碰撞說”。

“時至今日,小行星撞擊地球的危險仍然存在。”焦維新告訴《中國新聞週刊》,根據理論分析,直徑在100米左右的小行星,目前觀測到的數量只佔總量20%~30%,尺寸更小的小行星,觀測到的數量佔比更低,也就是說,還有海量小天體尚未被發現,其中一部分很可能在被發現前就已經撞向地球。

事實也是如此,絕大多數小行星撞擊事件都是在發生後才被人類所察覺。1908年6月30日上午7時許,一顆直徑60~190米的小行星在距離地面6~10千米高的上空爆炸。爆炸發生在俄羅斯通古斯河附近,威力當於2000萬噸TNT炸藥。2000年1月18日凌晨,一顆流星體在加拿大育空地區首府白馬市上空26千米處爆炸,形成巨大火球,夜空被照亮如晝。

小行星2008 TC3是人類歷史上首顆被“預警”的撞地小行星,整個“撞擊”過程被地面設備追蹤長達20小時。2008年10月7日,2008 TC3由蘇丹北部上空進入大氣層併發生燃燒,無數隕石碎片散落在廣闊的努比亞沙漠中。

小行星研究熱

“一顆直徑100~300米的小行星有高達1%的機率將於2027年4月29日撞上地球。”200多名天文學家、工程師和應急專家收到了這則虛擬預報。2019年5月,一場國際小行星撞擊模擬演練在美國華盛頓附近展開。

隨後,虛擬警示不斷升級,這塊太空巨石撞向地球的機率上升到10%,最後是100%。模擬演練中,天文學家確認該小行星將飛向美國西部城市丹佛,NASA於2021年啓動探測計劃,以近距離研究這顆“城市殺手”。

幾個握有先進太空技術的國家和地區決定製造6個“動能撞擊器”,通過撞擊小行星來改變其軌道。五年後,3個撞擊器成功撞上小行星,導致其主體轉向,但撞擊造成的一塊較小碎片將繼續飛向地球,而留給人類的時間已經不多了。

小行星碎片以每小時6.9萬公里的高速進入大氣層,在美國紐約的中央公園上空15公里處爆炸,能力相當於廣島核爆炸1000倍。這場演練最終以“曼哈頓地區被徹底夷爲平地”的災難告終。演練設計者、NASA工程師保羅·喬達斯坦言,殺手小行星在現實中出現的可能性極低,但他希望,問題能通過演練暴露出來並得到討論。

從上世紀80年代開始,近地小行星逐漸成爲學術領域和大衆媒體關注的熱點。

1983年,關於小行星、彗星和流行體的第一次國際會議在瑞典召開。次年,第一架帶有CCD感光元件的望遠鏡開始用於觀測小行星和彗星。一組可供對比的數據是,到1980年1月,人類觀測到的近地小行星僅有53顆,而據NASA近地天體研究中心最新數據,截至2022年5月,已有28884顆近地小行星被發現,其中直徑超過140米的就有1萬多顆。

從1995年12月起,NASA噴氣推進實驗室開啓了近地小行星追蹤計劃(NEAT),該計劃獲美國空軍准許可使用夏威夷海勒卡拉火山的GEODSS望遠鏡,這臺闊視場望遠鏡是空軍用來觀測人造衛星的。2001年4月開始,美國加州帕洛馬山天文臺1.2米口徑的塞繆爾·奧斯欽望遠鏡也加入了這項計劃。

儘管NEAT被譽爲“最成功的小行星搜索計劃之一”,但它仍無法覆蓋全天區。美國還有卡特琳娜巡天系統,由NASA資助,美國亞利桑那大學月球和行星實驗室負責開發和運營。此外,歐洲天文臺、歐南天文臺、俄羅斯天文臺等也有搜索小行星的項目或計劃。

2018年2月,中國作爲正式成員加入了由聯合國批准成立的國際小行星預警網(IAWN)。目前,紫金山天文臺在盱眙觀測站的近地天體望遠鏡是中國貢獻共享數據的唯一主幹設備,該望遠鏡有效口徑爲1.04米,系國內最大、國際第五的施密特型光學望遠鏡,可觀測到直徑300米以上的近地小行星,目前已經開展了“中國近地天體巡天”和“盱眙銀河系反銀心方向數字巡天”兩個大型巡天計劃。

從南京紫金山腳下沿棧道步行上山,30分鐘便可到達位於第三峯頂的紫金山天文臺。銀色圓頂的天文觀測室在連綿的山林中尤爲顯眼,紫臺建成於1934年,標誌着中國現代天文學研究的開始。趙海斌1996年從南京大學天文系畢業後便進入了紫臺,當時觀測用的是紫金山上一架口徑40釐米的望遠鏡,要在露天條件下控制望遠鏡連續觀測幾個小時才能曝光出一張底片。那時,一百多公里外的盱眙觀測站還在建設中,距離近地天體望遠鏡鏈接CCD探測系統並測試成功還要等10年。

今年元旦,盱眙觀測站近地天體望遠鏡巡天時,其計算機自動捕捉程序發現了一顆亮度爲20.6等的闇弱移動天體,視運動速度爲0.704度/天,比一般小行星快很多。“我們覺得它很特殊,拿到電子圖片後很快進行了人工驗證。”趙海斌現在是紫臺近地天體探測望遠鏡團組首席研究員,他告訴《中國新聞週刊》,這顆小行星直徑約43米,接近半個標準足球場大小,與地球的最小軌道交會距離小於地月距離,不過沒有撞擊危險。該小行星很快獲得了國際小行星中心給予的編號2022 AA,成爲2022年人類發現的第一顆近地小行星。

今年3月,趙海斌和中科院複雜航天系統電子信息技術重點實驗室研究員李明濤等人在國際行星科學領域期刊《伊卡洛斯》(Icarus)上發文,提出了一個天基監測預警方案。文章提出,地基光學望遠鏡觀測存在盲區,建議將兩臺望遠鏡部署在地球領航軌道上,當有小行星從太陽一側接近地球時,便能及時發出警告。文章還計算出瞭望遠鏡的初始軌道,並建立了發現和預警小行星的模型。

“天基與地基可以實現互補。”趙海斌介紹說,地基望遠鏡雖然工作壽命長,但觀測時間和觀測天區有限,同時很容易受大氣條件制約,而這些短板恰好能被天基望遠鏡所彌補,天基監測可以實現全天候,且覆蓋天區大、觀測波段寬。

《中國工程科學》今年第二期雜誌刊發的《近地小行星撞擊風險應對戰略研究》一文指出,在地基觀測方面,盱眙觀測站近地天體望遠鏡國際編目貢獻率爲 0.13%,中國另有32臺口徑1米以上的望遠鏡也可兼顧近地天體的監測。而在天基觀測方面,中國還沒有在軌服役的天基監測預警裝備。中國目前還沒有自行建立小行星數據庫。

一位從事天文探測多年的研究人員解釋說,在近地小行星觀測研究的國際平臺上,98%的貢獻來自美國,編目工作自然也由美國主導。未來中國積累了更多數據,才能談下一步的編目工作。

如何防禦

人類對小行星的探究早就不限於觀測。早在1996年1月,美國就成功發射了“近地小行星約會”探測器,經過4年的飛行,成功進入“愛神”小行星的軌道進行繞飛,測量小行星的密度、化學成分和磁場,並傳回16萬張照片與大量珍貴材料。

2003年,日本將隼鳥號探測器送往小行星25143。經過七年的宇宙旅行,隼鳥號穿越了近六十億公里,第一次將採集到的小行星樣本送回地球。樣本分析結果首次於2011年的“月球與行星科學大會”上對外公開,不過,在對岩石的檢測中,並未發現有機物、碳元素等與生命有關的物質。小行星作爲太陽系的“老壽星”,被科學家認爲是研究地球生命起源的絕佳樣本。

小行星圖塔蒂斯自1989年再次被發現起,便被划進了“對地球有潛在危險”的範疇。目前,對圖塔蒂斯拍攝最清楚的圖像來自“嫦娥二號”月球探測器。

北京時間2012年12月13日16時30分,在距離地球約700萬千米的深空,“嫦娥二號”成功飛越圖塔蒂斯,最近距離僅爲3.2千米,飛越拍攝歷時25分鐘,獲得了清晰圖像。這是中國第一次對小行星進行探測,中國也成爲繼美國、歐洲空間局和日本之後,第4個對小行星實施探測的國家或組織。

通過觀察、探測等活動獲得小行星的軌道和物理屬性等數據後,纔能有針對性地實施“防禦”措施。2019年那場模擬演習中的“小行星撞擊計劃”已經開始實施。2021年11月,美國的“雙小行星重定向測試(DART)”航天器搭乘SpaceX公司獵鷹9號火箭發射升空,這是NASA開展的首次行星防禦技術測試任務,旨在通過動能撞擊改變小行星軌道。

據焦維新介紹,動力撞擊偏轉軌道的方法是人類目前已經掌握的技術,當前需要解決的問題是“深入掌握撞擊對小行星軌道的效應”,對撞擊器大小、速度、撞擊方向以及如何選擇撞擊位置進行深入研究。此外,其他概念上的防禦手段還包括給小行星安裝火箭、安裝太陽帆、伴飛飛船引力牽引、在小行星附近實施核彈爆炸等。

2020年,中科院複雜航天系統電子信息技術重點實驗室研究員李明濤和他的同事們發文介紹了“以石擊石”的防禦概念。即在太空中捕獲百噸級重量的岩石,然後操控岩石變軌,撞擊對地球有威脅的小行星,最終將危地小行星偏轉出撞擊地球的軌道。

相比經典的動能撞擊方法,“以石擊石”方案對危地小行星的偏轉距離可提升約一個數量級,爲人類在短時間尺度應對百米級直徑的潛在威脅小行星提供了新的思路。審稿人評價該文章提出了一個“新穎、有趣、高效防禦危險小行星的潛在方法”。

中國工程院院士、中國探月工程總設計師吳偉仁等人在公開發表的《近地小行星撞擊風險應對戰略研究》一文中指出,中國小行星防禦領域研究起步較晚,2000年起依託國家國防科技工業局空間碎片專項科研,才陸續形成空間碎片監測預警及清除等共性技術和設備,爲開展近地小行星撞擊風險應對提供了關鍵基礎積累。

在近地太空,漂浮着存量超過8000噸的巨大垃圾場。在所有太空垃圾中,近八成是失效衛星,以及衛星、火箭殘骸等碰撞、解體而形成的碎片。去年3月,《科學報告》上的一篇文章指出,近地軌道上直徑超過10釐米、可追蹤的碎片已超過12000個,如果統計直徑降至1釐米,碎片數目可能達上百萬個。

天氣預報、汽車導航、環境監測,人類現代生活已經時刻離不開衛星。理論上講,在地球同步軌道上佈設3顆通訊衛星,即可實現除兩極外的全球通訊。然而,地球同步軌道只有一條,在赤道上方,這條軌道上的衛星發射由國際電信聯盟進行調解,以保持衛星間有一定間隔,彼此不干擾,發射數量有限定。

於是,近地軌道成了衛星爭相發射的“法外之地”,對發射數量或位置沒有定規。由於近地軌道頻率資源有限,各國“先佔先得”。截至 2021 年 9 月,近地軌道共有約 7500 顆衛星。

一位研究學者告訴《中國新聞週刊》,近地小行星防禦系統實際上是空間防禦系統,建成後對各方面空間活動都將有所兼顧,不論是科研探究,還是其他目的的太空活動。

去年10月召開的第一屆全國行星防禦大會上,來自北京理工大學、 中國科學院國家空間科學中心、中國科學院紫金山天文臺等單位的學者分享了專題報告。有數據科技公司首席科技官介紹了《億級太空碎片實時監測系統底層技術》,中科院國家空間科學中心碩士生分享了《動能撞擊偏轉小行星軌道在軌驗證任務設計初探》。

“我們爭取在‘十四五’末期或者2025年、2026年實施一次對某一顆有威脅的小行星(的軌道改變技術實驗)。”國家航天局副局長吳豔華今年4月接受媒體採訪時表示,既進行抵近觀測,又實施就近撞擊,爲未來人類真正應對小行星地外天體對地球家園的威脅,真正做出中國貢獻。

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