当小行星来袭,除了让地球流浪,我们还能怎么做?

当小行星来袭,除了让地球流浪,我们还能怎么做?
2020年06月30日 11:02 新浪科技综合

  来源:科学大院

  1908年6月30日,一颗直径约30-50米的小天体在俄罗斯通古斯河地区上空发生爆炸,爆炸当量等效约1000颗广岛原子弹,摧毁了超过2000平方公里的森林。中心区70公里范围很多人被灼伤,欧洲许多电灯熄灭,陷入黑暗和恐慌。这是上世纪地球上最严重的一次小天体撞击事件。为了警示人类小天体撞击的威胁,2014年皇后乐队成员、天文学家 Brian May、B612基金会Danica Remy、阿波罗9号宇航员Rusty Schweickart和电影制作人Grig Richters联合发起了小行星日活动,2016年联合国正式将每年6月30日列为国际小行星日。

通古斯事件中倒塌的树木(图片来源:the Leonid Kulik Expedition)通古斯事件中倒塌的树木(图片来源:the Leonid Kulik Expedition)

  其实,“天外来客”拜访地球并不罕见。根据科学家研究,地球地质历史上,发生了22次不同程度的生物灭绝,至少11次与小天体撞击相关。新生代以来,在距今6500万年、3400万年、1500万年、240万年、110万年、70万年前均发生过公里级小天体撞击地球事件。比如恐龙突然灭绝,目前科学界最普遍的说法是一颗小行星撞击地球导致的。

  那么,我们怎么对付这些不速之客呢?

  天外来客都有谁?

  飞向地球的小天体包括小行星和彗星。小行星和彗星都围绕太阳运行,区别在于彗星含有较多的挥发性物质,在靠近太阳时会明亮的慧尾。

 小行星(上)和彗星(下)(图片来源:wikipedia、mikesastrophotos.com) 小行星(上)和彗星(下)(图片来源:wikipedia、mikesastrophotos.com)

  小行星是太阳系形成之初遗留的残余物质。如果把太阳系的形成比喻成建设一座高楼大厦,小行星就是高楼大厦建设完成后,剩余的建筑材料。小行星个头小,没有大气、火山、地震等气候地质活动演化,因此还保留着太阳系形成之初的原始物质。有科学假说认为,地球上的水可能是小行星撞击带来的,支持地球早期生命起源的关键物质可能也源于小行星撞击。因此开展小行星的研究对揭示太阳系起源与早期演化、地球上生命起源和水的来源等重大科学问题具有重要意义。

  截至2020年6月,人类已经发现了接近100万颗小行星。其中,绝大部分小行星分布在火星和木星之间的小行星带,被称为主带小行星。有科学家推断,在火星和木星的轨道之间原本应该还有一颗行星,但在木星的引力扰动和撞击作用下,这颗行星胚胎演变成了小行星带。

主带小行星(红)和近地小行星(蓝)(图片来源:NASA)主带小行星(红)和近地小行星(蓝)(图片来源:NASA)

  小行星带中的部分小行星,轨道运动与木星的轨道运动形成共振,在木星的引力扰动下,会从火星和木星轨道之间进入到地球轨道附近。一般将进入地球轨道4500万公里(约0.3个天文单位)范围内的小行星称为近地小行星。

  根据轨道分布,近地小行星可以分成四个族群:阿莫尔族、阿波罗族、阿登族和阿提拉族。

 近地小行星族群(图片来源:NASA) 近地小行星族群(图片来源:NASA)
  • 阿莫尔族小行星分布在地球轨道外侧,与地球轨道不存在交叉点。

  • 阿波罗族小行星的轨道近日点在地球轨道内侧,远日点在地球轨道外侧,并且平均轨道半径大于地球的轨道半径。阿波罗族小行星的轨道与地球轨道存在交叉点,因此存在撞击地球的可能性。

  • 阿登族小行星的轨道近日点在地球轨道内侧,远日点在地球轨道外侧,并且平均轨道半径小于地球的轨道半径。阿登族小行星的轨道与地球轨道存在交叉点,也存在撞击地球的可能性。

  • 阿提拉族小行星分布在地球轨道内侧,与地球轨道不存在交叉点。

  需要说明的是,在天体引力、太阳风、热辐射等复杂环境因素作用下,小行星的轨道会发生改变,对地球没有威胁的阿莫尔族小行星可能演化成可能撞击地球的阿波罗族小行星。

  小行星撞击会带来哪些危害?

  6500万年前的那一天,如果有恐龙恰巧站在北美抬头看天空,会看到一颗星星越来越亮。事实上,那是一颗正以20公里每秒速度向地球高速飞驰而来的小行星。不久后,天空亮如白昼,这颗直径约10公里的小行星穿过了大气层,撞向墨西哥尤卡坦半岛海湾。

  小行星在海底撞出了一个直径约180公里的巨大陨石坑,释放的能量等效10亿颗广岛原子弹。高速撞击掘起大量海底物质抛向平流层。巨大的海啸吞噬了整个墨西哥湾,沿岸变成一片汪洋。尤卡坦半岛方圆2400公里内的大气变得炽热,引发了巨大的森林山火。随着地球的转动,地球70%的森林被点燃。

尤卡坦半岛希克苏鲁伯陨石坑艺术重建图(图片来源:DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE)尤卡坦半岛希克苏鲁伯陨石坑艺术重建图(图片来源:DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE)

  尘埃和浓烟弥漫在平流层,地球表面被浓厚的烟雾和尘埃覆盖,遮蔽了大部分阳光,全球进入一个长达几十年的“冬天”。植物光合作用近乎停滞,地球生态链遭到巨大破坏。气候环境的骤变对地球生物造成了毁灭性打击,最终导致了包括恐龙在内的全球超过75%的物种灭绝。

  1994年7月17日至22日,5天多时间内,苏梅克-列维9号彗星的20多块碎片接二连三撞击了木星,相当于在130多个小时中,在木星上空不间断地爆炸了20亿颗原子弹。这是人类第一次目击太阳系大型天体撞击事件,引发了人类对地球和自身命运的思考。

  2013年2月15日上午,一颗约直径18米的小行星从太阳方向飞驰而来,在俄罗斯车里雅宾斯克地区上空爆炸,爆炸当量等效约30颗广岛原子弹。尽管大部分能量在高空释放,但爆炸产生的冲击波及热辐射还是导致了约1500人受伤,3000余栋房屋受损,损失超过2亿人民币。这是发生在地广人稀的俄罗斯西伯利亚地区,如果发生在人口稠密的大城市,后果不堪设想。最可怕的是,这颗小行星是从太阳方向飞来,处于地基光学望远镜的观测盲区,因此这颗小行星是在人类毫无觉察的情况下闯入大气层、发生爆炸、并且造成严重后果的。幸运的是,这颗小行星的直径仅有约18米。

 车里雅宾斯克事件(图片来源:Sergey Zhabin) 车里雅宾斯克事件(图片来源:Sergey Zhabin)

  小行星撞击的危害与小行星的尺寸、材质、进入速度、进入角度、撞击地表材质等因素相关,可能在空中发生爆炸、解体、撞击地表形成陨石坑、撞击海洋引发海啸等多物理过程,产生冲击波、热辐射和光辐射。如果撞击足够剧烈,热辐射还会引发森林大火,将地表物质抛射到平流层,引起冰室效应或者温室效应,甚至改变全球气候生态环境,进而引发物种灭绝。

  直径米级小行星会在大气层中发生爆炸,形成火流星事件,可能会有陨石坠落到地面,但一般不会对人类造成威胁。2017、2018、2019年连续三颗火流星袭击了我国云南香格里拉、西双版纳和吉林松原地区,引起了较大的社会反响。

  直径20米级小行星会造成城镇级危害。人类尚没有对直径20米级的小行星开展编目的能力,未来可部署天基望远镜对小尺寸小行星进行即时预警。

  直径50米级小行星会造成大中型城市级灾难。通古斯大爆炸的焚毁面积等效于北京市城八区和深圳市区大小之和。

  直径140米级小行星会造成区域级灾难,能够对一个省或者一个小型国家面积的区域造成损伤。天文学上,将直径大于140米,与地球最小轨道交叉距离小于750万公里(0.05天文单位)的小行星称为潜在威胁小行星。

  直径350米级小行星会造成大陆级灾难,能够对欧洲面积区域造成损伤。

  直径600米的小行星可以造成最小级别的全球性灾难,直径1公里的小行星可以造成中等级别的全球性灾难,直径5公里级的小行星可以造成大型全球性灾难,直径10公里级的小行星可以造成全球大规模物种灭绝。所幸,直径公里级的近地小行星已经基本编目完毕。在未来几百年,不会有直径公里级的小行星存在撞击地球风险。

  如果小行星来袭,我们咋办?

  全世界科学家提出了多种减缓小行星撞击威胁的招数[5]。

  第一招:躲

  如果预警时间较短,或者小行星尺寸不足以造成大的危害,可以像“地堡男孩”一样躲进地下掩体,暂避小行星的锋芒。

  第二招:炸

  在短期预警条件下,核爆是唯一能够有效摧毁小行星结构或者偏转小行星轨道的方法。现有国际法禁止在外太空使用核武器,核爆还会引起核安全和核污染问题。在2019年第六届行星防御模拟演习中,就因为争议,最终未能实施核爆,导致防御失败,一颗直径几十米的小行星碎片撞击了纽约,将中央公园方圆15公里范围区域夷为平地。

  第三招:“撞”

  利用飞行器高速撞击小行星,在不破坏小行星结构的条件下,瞬间改变小行星的速度。利用时间累积效应,逐渐偏转小行星的轨道。2021年,NASA将发射“双小行星重定向测试”任务,利用一枚约500公斤的飞行器,撞击Didymos双小行星系统中的“小月亮”,以验证动能撞击技术。

 “双小行星重定向测试”任务(图片来源:NASA) “双小行星重定向测试”任务(图片来源:NASA)

  受运载能力和包络限制,人造撞击体质量一般不超过十几吨,尽管撞击速度可高达十公里每秒,但对于千万吨级的小行星,犹如“以卵击石”。“双小行星重定向测试”任务对小行星速度增量改变量不超过2mm/s。以单次动能撞击任务的偏转能力,需要10年、15年甚至更长时间,才能有效防御直径140米级小行星。

  第四招:“牵”

  2005年美国华裔宇航员卢杰提出利用一个飞行器盘旋在小行星轨道前方,通过飞行器与小行星之间的万有引力“牵引”小行星,持续而缓慢地改变小行星的轨道,被称为引力拖车。“牵引”小行星一般需要20年以上的作用时间。

引力拖车示意图(图片来源:Dan Durda/B612 Foundation)引力拖车示意图(图片来源:Dan Durda/B612 Foundation)

  第五招:“烧”

  使高能激光器作用于小行星表面,利用表面烧蚀产生的等离体子体喷射产生反作用力,持续偏转小行星轨道。也有学者提出通过太阳能聚光烧蚀小行星表面。一般认为,烧蚀方法偏转小行星轨道需要较长的作用时间。

激光烧蚀小行星(图片来源:Q。 Zhang)激光烧蚀小行星(图片来源:Q。 Zhang)

  第六招:“喷”

  利用飞行器携带的离子推进系统产生高速的离子束,作用于目标小行星表面,对小行星产生持续作用力,进而改变小行星的运行轨道。一般认为,离子束偏转小行星轨道也需要较长的作用时间。

  第七招:“推”

  利用飞行器捕获小行星或者将发动机锚定在小行星表面,直接利用发动机推力改变小行星轨道。拖船技术属于接触式防御方法,由于小行星自转及结构材质不确定性,技术实施难度极大。

  2013年,NASA提出了“小行星重定向”任务,计划捕获一块不超过1000吨的太空岩石,并将其拖到地月空间,验证载人深空探测关键技术。“小行星重定向”任务还计划利用岩石与飞行器构成组合体,测试加强型引力拖车“牵引”小行星的轨道。尽管“小行星重定向任务”在2017年被特朗普政府取消,但NASA仍对小行星操控的技术路线做了深入的研究。

美国小行星重定向任务(图片来源:NASA)美国小行星重定向任务(图片来源:NASA)

 

  此外,还有一些脑洞大开的方案,比如在小行星表面喷涂一层白漆,改变小行星的反射率,进而改变太阳光压和雅科夫斯基效应;利用挖掘机在小行星表面施工,将石块高速抛射出去。

  尽管对付小行星的方法众多,但短期预警条件下,核爆仍然是有效防御大尺寸小行星的唯一手段。核爆之外,动能撞击是目前最为成熟的小行星防御方法,但经典动能撞击需要很长时间才能发挥作用。发展较短时间内能够有效摧毁或者偏转小行星轨道的新型非核防御方法是未来发展趋势。

  从“以卵击石”到“以石击石”

  决定动能撞击防御小行星效果的关键因素是撞击体的动量。动量由撞击体质量和撞击速度决定。由于强大的地心引力,利用人类最强大的运载火箭,发射到深空撞击小行星的轨道,撞击体重量一般也不会超过20吨。即使撞击速度可达到数公里每秒甚至十几公里每秒,面对千万吨级的小行星,几吨甚至十几吨的人造撞击体显得无比渺小。

  如此看来,人造撞击体的质量是动能撞击方案的一大制约因素。依据现有技术水平,难道动能撞击方案已经到达瓶颈了吗?其实不然,既然“小行星重定向”任务能够捕获一颗百吨级空间岩石,并操控岩石变轨到地月空间,那么我们也可以操控这块岩石撞向危地小行星。

  “以石击石”任务概念正是利用了空间中“就地取材”的思想,从地面发射无人航天器,在空间捕获岩石并操控其撞向危地小行星。这样便可以突破地面运载火箭能力的约束,将撞击体质量从十几吨显著提升到百吨级,最终显著提升小行星的偏转效率。

  值得一提的是,这块空间岩石并不是随便选取的,而是自然轨迹就与危地小行星擦肩而过的,这样,利用较少的燃料就可以操控岩石与危地小行星撞击。

“以石击石”行星防御任务概念(图片来源:中国科学院国家空间科学中心)“以石击石”行星防御任务概念(图片来源:中国科学院国家空间科学中心)

 

  以偏转阿波菲斯小行星为例,我们对“以石击石”行星防御方案开展了数值仿真,对利用“以石击石”偏转小行星轨道的能力进行了论证。阿波菲斯是一颗阿登型近地小行星,被称为“毁神星”,在埃及神话中象征古老的邪恶和毁灭之魔。它的直径约350米,重量约为6100万吨,在2029年与地球的最近距离约为3.8万公里,约为地月距离的十分之一。假设有十年预警时间,利用长征五号运载火箭,对经典动能撞击和“以石击石”加强型动能撞击的偏转效能进行了对比。

  仿真结果显示,在不考虑撞击产生的溅射物影响的条件下,利用经典动能撞击方法对阿波菲斯小行星的偏转距离约176公里,而“以石击石”方法对阿波菲斯小行星的偏转距离约1866公里,相比经典动能撞击方法提升了一个数量级。

“以石击石”行星防御任务方案示意(图片来源:中国科学院国家空间科学中心)“以石击石”行星防御任务方案示意(图片来源:中国科学院国家空间科学中心)

  如果经典动能撞击是直接硬碰硬的“拳击”较量,“以石击石”则像“太极”功夫,通过迂回腾挪,找到“借力打力”的发力点,以“四两拨千斤”的方式偏转危地小行星的轨道,实现撞击体质量和防御效果的数量级提升。

  “石”从哪里来?

  “小行星重定向”任务设计了两种捕获太空岩石的基本途径:整体捕获米级小行星、从碎石堆小行星上采集岩石。

  根据近地小行星的尺寸数量分布模型,尺寸越小的小行星,数量越多。理论上,直径10米以下的近地小行星的数量超过1亿颗。由于目前观测能力限制,直径10米级的小行星,目前仅发现了约1000颗。随着大型综合巡天望远镜(LSST)等新一代天文望远镜的启用,预计小尺寸小行星的发现速度会快速提升,为挑选合适的岩石母体提供了充足的选择。

小行星尺寸-数量曲线(图片来源:NASA Planetary Defense Coordination Office)小行星尺寸-数量曲线(图片来源:NASA Planetary Defense Coordination Office)

  飞行器抵近米级小行星后,将自身旋转速度调整为与小行星相同的旋转速度,利用口袋式装置捕获小行星,然后利用飞行器的推进系统对组合体进行消旋。

整体捕获小尺寸小行星(图片来源:NASA)整体捕获小尺寸小行星(图片来源:NASA)

  此外,现有资料表明小行星多为疏松多孔的碎石堆结构[7]。日本“隼鸟一号”探测的丝川小行星、“隼鸟二号”探测的龙宫小行星、美国“源光谱释义资源安全风化层辨认探测器”探测的贝努小行星,都是碎石堆小行星,其表面遍布大小石块。

 碎石堆结构小行星(图片来源:JAXA) 碎石堆结构小行星(图片来源:JAXA)

  可以利用机械臂从碎石堆小行星上采集岩石。考虑到大尺寸小行星的轨道确定精度更高,因此从碎石堆小行星采集岩石将是更为稳妥的方案。

 碎石堆结构小行星上采集岩石(图片来源:NASA) 碎石堆结构小行星上采集岩石(图片来源:NASA)

  如何借力打力?

  太阳系中存在上亿颗近地小行星,目前正以每年约2000颗的速度发现新的近地小行星。危地小行星可能会撞击地球,小行星之间也可能会发生碰撞,也会有小行星可能撞击危地小行星。事实上,小行星之间的碰撞是新小行星群体的一个重要来源。

  如果有一颗大尺寸危地小行星将要撞击地球。我们需要提前找到那颗与它“擦肩而过”的岩石母体。即使不变轨,在自然条件下,岩石母体与危地小行星的距离就比较接近,比如小于1500万公里、甚至150万公里。这样才能顺势“借力打力”,而不是强行改变岩石的轨道。

与地球“擦肩而过”的小行星(图片来源:NASA)与地球“擦肩而过”的小行星(图片来源:NASA)

  由于岩石自然的轨迹与危地小行星“擦肩而过”,在微重力环境下我们能够以“四两拨千斤”的方式,利用飞行器的推进系统轻微改变它的轨迹,使其从与危地小行星“擦肩而过”偏转到准确击中危地小行星,从而利用太空岩石的重量显著偏转危地小行星的轨道。

  偏转还是摧毁?

  普遍认为核爆是唯一摧毁小行星结构的手段。但当撞击冲量足够大时,动能撞击也能够破坏小行星的结构,甚至彻底粉碎小行星。大尺寸小行星结构破坏后,更可能在大气层中烧蚀和解体,从而降低对人类的威胁。

  研究表明,撞击能量超过100J/kg时,岩石类小行星的结构可能发生破坏[8]。但关于小行星结构破碎的临界条件,还有待进一步研究。

  在仿真案例中,对阿波菲斯小行星的撞击能量高达235J/kg,很可能会对小行星的结构造成破坏,甚至彻底摧毁小行星。

  如果能彻底摧毁小行星,“以石击石”则可以将发挥效力的作用缩短至4年左右。当我们发现一颗直径超过百米的小行星在五年内将要撞击地球,除了核爆,我们又多了一种新的选择。这种选择规避了在外太空使用“核”的风险和争议。

  在承受百吨级岩石撞击后,小行星是发生了轨道偏转、还是结构被部分破坏、甚至完全破坏,结构碎片是否会重新聚合,还需要进一步开展理论分析、数值仿真和地面试验。

  写在最后

  一项空间任务,从概念提出到可行性论证到工程实施,要经历一个漫长的过程。大量曾经让人眼前一亮的任务概念,一直停留在纸面上,未能完成从概念到工程的转变。

  1958年,31岁的尤金·帕克提出“太阳风”概念的时候,还是一个名不见经传的新人,“太阳风”甚至被认为是荒诞不经的理论。60年后,2018年,91岁的尤金·帕克目送“帕克”探测器飞向太阳,未来将实现人类第一次抵近太阳日冕开展原位探测。太阳风作为深刻影响太空物理科学的概念,已经被广泛接受。

  “以石击石”提供了短时间内应对大尺寸小行星的可能的“非核”手段,也存在大量基础关键技术有待突破。

  恐龙统治了地球1亿6000万年,因为一颗小行星戛然而止。

  人类走出非洲十万年,发展出了今天高度发达的文明。未来,人类要继续在地球上生存十万年,除了面对战争、饥荒、洪水、地震、海啸、火山、疫情,还要认真面对来自太空的威胁。

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