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观察|防御小行星并非杞人忧天,中国也在行动
澎湃新闻特约撰稿 唐军
2021-11-25 14:29  来源:澎湃新闻
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DART任务主要用于测试对地球造成潜在威胁的小行星改变飞行方向的一项技术。

DART任务主要用于测试对地球造成潜在威胁的小行星改变飞行方向的一项技术。

11月24日,美国宇航局“双小行星变向试验”(DART)任务的小行星撞击探测器在范登堡天军基地发射成功,人类将首次测试小行星防御技术,意义重大。
2013年2月15日,一颗小行星在俄罗斯车里雅宾斯克地区上空爆炸,爆炸的冲击波造成大面积建筑物受损,近1500人受伤,经济损失约10亿卢布。这次爆炸震惊世人,也提醒世人:在宇宙中,地球并不安全,研究小行星防御不是杞人忧天。
美国初试小行星防御技术
DART由美国宇航局和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制,重616千克,整个计划耗资约3.25亿美元。DART此行的目的地是由“双胞胎”(Didymos)主星和“双形态”(Dimorphos)子星构成的一个双小行星系统,主星直径约800米的主体行星,子星直径仅150米的较小行星,目前从地球到“双胞胎”小行星系统的距离为4.836亿千米,但当地球与“双胞胎”小行星各自沿着围绕太阳的轨道运行时,距离会在1000万到4.93亿千米之间变化。DART计划在明年9月抵达目的地。此次发射由美国SpaceX公司的“猎鹰“9火箭发射。

此次发射由美国SpaceX公司的“猎鹰“9火箭发射。

DART任务主要用于测试对地球造成潜在威胁的小行星改变飞行方向的一项技术,该任务是美国宇航局行星防御计划下的首次专项任务。按计划,DART明年9月将以超过2.4万千米的时速撞向“双形态”子星。撞击将会让它的轨道周期发生改变,改变幅度估计为10分钟。地面望远镜将对这种改变进行测量,以确定“动能撞击器”偏转技术的有效性。
DART还携带了由意大利建造的一颗立方星,称为“丽西亚立方星”,这颗立方星由阿尔戈科技公司(Argotech)制造,重14千克,该立方星会在撞击前约1个月部署出去,利用两台光电成像仪观测“双形态”子星撞击前、撞击中和撞击后的情况,并把图像发回地球。欧空局还计划开展称为“赫拉”(Hera)的一项后续任务。“赫拉”将在2024年10月发射,2026年底抵达“双胞胎”小行星,进一步对撞击地点进行研究。
撞击“双形态”子星并不是因为其对地球构成了威胁,只是为了研究靠撞击来改变小行星飞行路线的有效性。美国宇航局官员强调说,截至目前还没有发现有哪颗小行星会在100年内对地球构成撞击威胁。小行星在俄罗斯车里雅宾斯克地区上空爆炸事件震惊世人。 

小行星在俄罗斯车里雅宾斯克地区上空爆炸事件震惊世人。 

危险的“天外来客”
虽然美国宇航局官员说目前还没有发现100年内会撞击地球的小行星,但并不代表以后会不会发现,所以为了人类的命运,未雨绸缪还是需要的。
地外天体威胁是一个很古老的话题,多个古代文明都曾留下了天外来客“造访人间”的记录。如北宋著名学者沈括就曾在《梦溪笔谈》中收录了一则发生在治平元年的陨石事件,用“大声如雷”、“几如月”形象的描述了陨石再入大气时的声学和光学现象,最终陨石落入宜兴县一户许氏人家的院落,“火光赫然照天。。。许氏藩篱皆为所焚”。火箭整流罩内的DART。

火箭整流罩内的DART。

2013年2月15日,一颗小行星在俄罗斯车里雅宾斯克地区上空爆炸,爆炸的冲击波造成大面积建筑物受损,近1500人受伤,经济损失约10亿卢布。“车里雅宾斯克小行星撞击事件”中的这颗小行星“KEF-2013”(俄罗斯政府代号)之所以没有被提前观测到,主要原因是太小,而且是从太阳方向飞来,强光也增加了发现难度。
根据美国宇航局的分析,该小行星以每秒30千米的速度再入大气,在大气层中飞行约32秒后减速至每秒18千米,并在车里雅宾斯克地区上空约30千米高度发生猛烈爆炸。该小行星直径约17-20米,重量估计约1万吨。美国宇航局估计,KEF-2013释放的能量相当于50万吨TNT,作为对比,二战时美国向日本投掷的广岛原子弹“小男孩”的当量才1.5万,足见其威力之大,完全可以摧毁一座中小城市,因此,小行星撞地球的后果有时候是非常严重的。
需要说明的是,并不是每一颗飞向地球的小行星都会造成破坏,直径小于100米的小行星穿越地球大气层时大部分变成了大家喜闻乐见的流星,即使小部分碎片落在地面,也被一些人视为发财的宝物——陨石。直径超过100米,其威胁随着直径的增大而增大,科学家认为,处在中间的是宽度超过140米,但又不到1000米的小行星是最让人担心的一类。这些小行星比直径1000米以上的小行星更难发现,但如果有一颗撞击地球,很有可能造成区域性的灾难事件。
美国宇航局曾警告约有4700颗小行星威胁地球。根据研究,对于地球附近太空中较大的天体(即大小在140米以上的天体),天文学家只了解其中大约30%至40%,因此谁也不敢打包票100年内没有小行星撞击地球,研究如何防御小行星撞击并不是杞人忧天之举。短期快速防御小行星如同反导,因此反导技术也可以用于防御小行星。 

短期快速防御小行星如同反导,因此反导技术也可以用于防御小行星。 

怎么防御小行星
防御小行星的前提是发现小行星,只有发现它并跟踪观测,获取精确轨道之后,才能够评估是否对地球构成威胁。
地球面临的小行星威胁主要有两大来源,太阳系内小行星和系外侵入小行星。前者主要分布于火星和木星轨道之间的小行星带,后者游荡于星际空间。这些小行星的共同点就是不发光,加之距离遥远,地面光学望远镜白天难以直接观测,只能晚上探测,无法观测到昼半球方向靠近的天体。目前常用的一种方式是掩星观测,即小行星从背景天体前通过时由于遮挡该天体光线而被探测,但这种被动观测方式根本不适用于对地外天体进行预警探测和持续跟踪。
所以,小行星防御重点还是应先解决探测和预警问题,各国应当加强合作,使用光学、雷达等地基探测设备,结合天基探测器,对地外天体进行编目,尤其是直径100米至1000米的小行星,并且提高探测的效率和时效性。
在拦截小行星方面,根据预警时间长短,主要可分为两个阶段,若预警时间比较长,几年甚至几十年就发现了威胁地球的小行星,可以发射探测器到小行星附近,具体策略也分为两种,一是让有威胁的小行星轨道发生偏转,让其不撞到地球;二是摧毁小行星,使有直接威胁的天体碎裂,充分降低或完全消除撞击地球的危害。长期缓慢防御可采用瞬时脉冲变轨(如动能撞击、核爆,此次DART任务主要就是研究瞬时脉冲变轨的方法)和连续推力变轨两种办法(包括太空拖船、引力拖车、用强激光照射改变小行星表面蒸发量等)
若预警时间较短,比如只有几天甚至几个小时,那就涉及短期快速防御了,犹如导弹防御一样,主要的办法是发射拦截导弹,对小行星进行摧毁。目前已有的杀伤手段包括核弹头杀伤和动能杀伤两种。如果在宇宙空间拦截小行星,核爆能量只能通过高能射线和高速中子流释放,对小行星的伤害极其有限。如果在大气层内拦截小行星,核爆产生的冲击波固然可观,但在如此近的距离引爆大当量核弹并产生大量岩石碎片,其危害比较大,应展开细致的研究。
如果换做动能杀伤拦截方式,拦截器与小行星的巨大相对速度确实可以产生巨大的动能作用于小行星。但考虑到不同小行星的材质和大小,如果没有平时对小行星物理参数的积累,动能杀伤器极有可能“以卵击石”,残存的大块星体仍然会给地面造成巨大损失,因此需要视情况而定。上个月23日,第一届全国行星防御大会在广西桂林开幕。

上个月23日,第一届全国行星防御大会在广西桂林开幕。

中国也在行动
上个月23日,第一届全国行星防御大会在广西桂林开幕,中国探月工程总设计师吴伟仁院士也出席了这次会议。
本次会议旨在促进我国近地小天体监测、预警、防御领域的交叉融合,探讨有关前沿科学问题、关键技术发展、工程实施方案、政策法律构建及国际合作交流等,促进同行间的合作与交流,繁荣学术,推动我国行星防御领域更快发展和整体水平的提高。
据大会主办方相关负责人介绍,截至2021年10月18日,已发现的近地小行星超过26127颗。近年来,近地小行星飞掠事件频繁发生。仅2021年已发生1074次,观测到21颗小行星进入大气层。小行星撞击地球由于其进入速度大、撞击能量高,给人类造成极大威胁。
其实,在今年中国航天日上,国家航天局公开表示,我国正论证小行星防御系统。4月24日上午,2021中国航天日开幕启动仪式在江苏南京举行。国家航天局局长张克俭透露,中国航天未来将论证建设近地小行星防御系统。
国家航天局局长张克俭在致辞时表示:“站在新的历史起点,中国航天将论证实施探月工程四期、行星探测工程、建设国际月球科研站和近地小行星防御系统,拉开新时代探索九天的新序章。”
2019年6月,“近地小天体调查、防御与开发问题”入选第二十一届中国科协年会20个重大科学问题和工程技术难题。
在小行星监测预警方面目前也有来自中国的贡献。世界上在用的行星雷达系统主要是美国戈尔德斯通和阿雷西博两部行星雷达。中国国家航天局作为成员单位已于2018年1月正式加入国际小行星预警网络。目前,中国的紫金山天文台有一个通光口径为1.04米的施密特光学望远镜能够开展近地小行星的监测预警工作,这台设备名叫“近地天体望远镜”,其目前在国际小行星监测网中。
目前,我国小行星探测任务已经公布,计划利用10年左右时间开展近地小行星2016 HO3伴飞探测和采样返回,并对主带彗星133P进行绕飞探测。这个探测计划将加深我国对小行星的认识,相关技术和信息也可以服务于小行星防御。
今年5月,中国科学院国家空间科学中心发布消息,该中心科学家团队提出了 “以石击石”加强型动能撞击行星防御任务概念。通过发射无人飞行器捕获小尺寸小行星或者在碎石堆小行星上采集超过100吨的岩石,与飞行器构成组合撞击体,操控组合体撞击对地球有潜在威胁的小行星,将潜在威胁小行星偏转出撞击地球的轨道。相比经典动能撞击方法,对小行星的轨道偏转效果可提升1个数量级,为防御大尺寸潜在威胁小行星提供了核爆之外的一种新选项。
据介绍,以直径约350米、重量约为6100万吨的阿波菲斯小行星为例,其在2029年与地球的最近距离将约为3.8万公里。仿真显示,利用经典动能撞击方法,可以让阿波菲斯小行星偏转距离约176公里,而“以石击石”方案对阿波菲斯小行星的偏转距离可以达到1866公里,相比经典动能撞击方法提升了一个数量级,让小行星更加“远离”地球。“以石击石”加强型动能撞击行星防御任务概念突破了地面发射人造撞击体的运载能力和包络限制,通过在太空中捕获百吨级质量的岩石,从而显著提升撞击体质量,最终实现小行星防御效果的数量级提升。
随着中国宇宙探测水平和航天技术的发展,相信未来在小行星防御方面会有更多来自中国的贡献。
6500万年前,地球还处于白垩纪时期,一颗直径约10千米的小行星撞击墨西哥尤卡坦半岛海岸,包括恐龙在内地球75%的生物灭绝。小行星撞地球导致恐龙灭绝,这是目前恐龙灭绝原因中认可度最高的原因。人类若不想重蹈覆辙,还是应携手合作应对小行星带来的威胁,毕竟在浩瀚的宇宙中,地球真的是沧海一粟。

责任编辑:谢瑞强   图片编辑:乐浴峰

校对:丁晓

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