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NO.2453-小行星防御計劃

文字：行星不發(fā)光

校稿：辜漢膺 / 編輯：苦果

4月25日，我國深空探測實驗室（又稱天都實驗室）在首屆深空探測國際會議中，首次詳細(xì)地向公眾介紹了我國的近地小行星防御任務(wù)計劃。該計劃將在2030年實現(xiàn)對小行星的動能撞擊。目前已向全球公開征集任務(wù)名稱、任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)方案等。

在會議上公布的計劃發(fā)展藍(lán)圖

（圖：深空探測國際會議）▼

那么，為什么要開展小行星防御任務(wù)？哪些小行星需要監(jiān)測預(yù)警并防御應(yīng)對？又如何防御小行星？我國為什么要在2030年開展近地小行星防御任務(wù)？

這些地球外的小行星，對我們有什么影響呢？

（圖：shutterstock）▼

為什么要防御小行星？

1980年，諾貝爾獎得主路易斯·阿爾瓦提出“小行星撞擊”學(xué)說，指出0.65億年前的一顆小行星撞擊地球，產(chǎn)生了極大的沖擊波和熱浪，不僅造成了森林大火和劇烈地震，還引發(fā)了巨大海嘯和覆蓋全球的粉塵（包括硫和二氧化碳等物質(zhì)）。這導(dǎo)致在地球上約75%的物種滅絕，其中就包括恐龍。

小行星撞擊會引發(fā)海嘯，融化地殼物質(zhì)

造成大量粉塵，遮蔽天空

并引發(fā)大規(guī)模酸雨，嚴(yán)重破壞生態(tài)

（小行星撞擊地球概念圖 圖：NASA/Don Davis）▼

1991年，在墨西哥尤卡坦半島發(fā)現(xiàn)了形成于白堊紀(jì)和第三紀(jì)末期的直徑約200公里的隕石坑，研究表明該隕石坑是造成恐龍滅絕的小行星遺跡，被稱為Chicxulub隕石坑。

曾經(jīng)的地球霸主恐龍

也難逃隕石撞擊地球帶來的厄運

（圖：NASA & Google maps）▼

數(shù)值模型分析研究表明，造成Chicxulub隕石坑的小行星直徑約為17km，密度約為2.63g/cm3，以43000km/h（約12km/s）的速度從尤卡坦半島的東北方進(jìn)入大氣層，并以約60°的入射角撞擊地球。這進(jìn)一步證明了“小行星撞擊”學(xué)說。

小行星撞擊角為60°時，隕石坑的演變情況

這與Chicxulub隕石坑周圍隕石的分布

和地下近30km的不對稱結(jié)構(gòu)相吻合

（該小行星撞擊地球的模擬示意圖）

（圖：Gareth Collins）▼

此外，美國亞利桑那州的Barringer-crater隕石坑是5萬年前一顆直徑約50m的小行星撞擊地球造成的。

即使已有5萬年歷史，與其他隕石坑相比

這個隕石坑也相對年輕且保存完好

（圖：NASA）▼

1908年，一顆直徑約為40m的小行星在通古斯上空發(fā)生爆炸，導(dǎo)致西伯利亞約2000平方公里的樹木被催壞。

估計當(dāng)時的爆炸威力相當(dāng)于2千萬噸TNT炸藥

甚至遠(yuǎn)在大洋彼岸的美國也能感覺到大地在抖動

（爆炸假想圖 圖：Don Davis）▼

1994年7月，舒梅克·列維9號彗星撞擊木星，在木星上撞擊的影響半徑相當(dāng)于地球大小，彼時用民用小口徑望遠(yuǎn)鏡也可看到。

舒梅克·列維9號彗星被木星引力撕扯成21塊

并最終砸在了木星上

（圖：壹圖網(wǎng)）▼

這一系列事件讓行星科學(xué)家和大眾再次意識到，小行星和彗星的撞擊對地球生命具有毀滅性的威脅。所以必須通過跟蹤監(jiān)測，預(yù)測評估和防御應(yīng)對等措施來保護(hù)地球和人類的安全。

2013年一顆隕石進(jìn)入大氣層

并在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克市上空爆炸

造成上千人受傷

（圖：YouTube）▼

1999年，國際小行星聯(lián)合會（IAU）為了促進(jìn)公眾對小行星撞擊危險的認(rèn)識和監(jiān)測，將小天體撞擊危險預(yù)測進(jìn)行了分類：從0-10，表征了可能撞擊事件的概率和后果。詳見下表。

從0-10，表征了小行星撞擊事件的概率和危險等級▼

哪些小行星需要監(jiān)測預(yù)警和防御應(yīng)對？

截止2023年4月27日，已發(fā)現(xiàn)的太陽系小天體接近120萬顆，且數(shù)量仍在不斷增加。根據(jù)小天體的公轉(zhuǎn)軌道分布，主要分為近地小行星、主帶小行星、特洛伊天體、半人馬天體和海外天體等。

其中絕大部分小行星位于小行星帶，即主帶小行星。

除近地小行星和主帶小行星外

海王星軌道外存在大量小行星，是彗星的起源地之一

（八大行星和小天體的分布 圖：Shutterstock）▼

在這些小行星中，主帶小行星、特洛伊天體以及海外天體由于引力攝動、非引力效應(yīng)（Yarkovsky/YORP效應(yīng)）和碰撞彈射等因素，部分小行星會離開原來的軌道向內(nèi)太陽系運動。

這個過程中，部分小行星會被木星引力捕獲而減少了撞擊地球的風(fēng)險，因此木星也被譽為地球的守護(hù)神。

木星是太陽系中最大的行星

其質(zhì)量是太陽系所有其他行星總和的兩倍半多

因此擁有吸引眾多彗星和小行星的強(qiáng)大引力

（1994年7月蘇梅克-列維九號彗星SL9與木星撞擊）

（圖：ESO）▼

SL9與木星撞擊后分裂成的“太空項鏈”

（圖：NASA）▼

部分“漏網(wǎng)之魚”最終遷移到近地空間，成為近地小行星（近日距小于1.3au，au為天文單位，即太陽至地球的平均距離）。

這些軌道不穩(wěn)定的小行星會被地月系統(tǒng)捕獲，月球上密密麻麻的隕石坑就是小行星頻繁撞擊的結(jié)果，然而這只是冰山一角，由于地球引力較大，更多的小行星撞向了地球。只不過因為地球的板塊運動、大氣運動、海洋占比和生命活動等因素掩蓋了隕石坑。

月球表面坑坑洼洼

不像地球表面能通過侵蝕、構(gòu)造和火山活動來“美容”

（圖：NASA）▼

加拿大魁北克省的一個環(huán)形湖

是2億多年前一次巨大撞擊留下的火山口遺跡

如今僅從表面已經(jīng)看不出當(dāng)年隕石坑了

（圖：NASA）▼

近地小行星的軌道演化相對劇烈且頻繁，其軌道與地球軌道交匯而存在撞擊風(fēng)險，而小行星撞擊程度主要取決于其質(zhì)量的大小。不同直徑大小的小行星的數(shù)量不同，撞擊地球的頻次不同。

下圖呈現(xiàn)了不同直徑的小行星對地球造成威脅的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

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其中，直徑在140m以上

且與地球最小交匯距離在0.05au以內(nèi)的近地小行星

被稱為潛在威脅小行星（PHAs）

這是小行星防御的主要目標(biāo)

目前已發(fā)現(xiàn)的2320顆潛在威脅小行星的軌道分布圖

（圖：紫金山天文臺/胡壽村）▼

如何防御小行星？

小行星防御任務(wù)實際上包含兩個主要部分，分別為潛在威脅小行星的監(jiān)測預(yù)警和變軌應(yīng)對。

迄今為止，已被發(fā)現(xiàn)的近地小行星的數(shù)量隨時間的累積分布圖如下。由圖可知，對直徑大于1km的近地小行星的觀測較為完備；還有大量直徑小于1km的近地小行星未被觀測到，未被觀測到的小行星中存在大量潛在威脅的小行星。

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如果不能對它們進(jìn)行及時的預(yù)警和撞擊評估，即不具備戰(zhàn)能力，人類也可能無法直接應(yīng)對小行星的撞擊。

目前，承擔(dān)普查直徑大于140m以上的近地小行星的地基望遠(yuǎn)鏡項目包括但不限于：卡特琳娜巡天望計劃、泛星巡天計劃和作為補(bǔ)充的小行星陸地撞擊持續(xù)報警系統(tǒng)（Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System, ATLAS）。我國紫金山天文臺的近地天體望遠(yuǎn)鏡也參與其中。

左滑觀看-

卡特琳娜巡天望計劃、泛星巡天計劃工作的天文臺

以及紫金山天文臺盱眙觀測站

（圖：shutterstock & 圖蟲創(chuàng)意）▼

對近地小行星的監(jiān)測預(yù)警和碰撞評估，為變軌任務(wù)指定了目標(biāo)。實際上，小行星防御任務(wù)的思路主要有兩類：

將小行星推離預(yù)測或原本的軌道，使其不能與地球相撞；

將小行星分解成在大氣層中可以燃燒殆盡的無害碎片。

走這條道會被撞，那就讓你換條道走

（圖：NASA）▼

可能的應(yīng)對方案可以總結(jié)為八字——“撞、炸、拖、牽、燒、噴、涂、拋”。

“撞”——動能撞擊，即利用航天器直接撞擊小行星，使其軌道發(fā)生改變。

“炸”——在小行星上空、表面或內(nèi)部引爆核武器，利用高能量射線蒸發(fā)小行星表面的物質(zhì)，通過形成的高速噴流來偏轉(zhuǎn)軌道或直接摧毀。

目前，核彈攻擊小行星的成功案例

只存在于科幻作品中

（圖：Armageddon）▼

“拖”——在小行星表面安裝火箭發(fā)動機(jī)，通過發(fā)動機(jī)推離其軌道。

“牽”——發(fā)射一個飛行器繞行小行星，通過萬有引力緩慢牽引，改變其軌道。

“燒”——利用高能激光灼燒小行星表面，通過物質(zhì)汽化形成的噴流改變其軌道。

高功率激光器能提供足夠的能量密度

熔化和蒸發(fā)任何已知的材料

（圖：shutterstock）▼

“噴”——利用電推進(jìn)航天器向小行星表面噴射高速離子流，改變其軌道。

“涂”——在小行星表面涂一層漆，改變小行星的反射率和熱慣量，利用太陽的熱輻射反沖力改變其軌道（其原理為Yarkovsky效應(yīng)）。

直徑小的小行星還好

直徑大的小行星涂上個十年八載都有可能

（圖：Robert Lea）▼

“拋“——在小行星上安裝挖掘機(jī)，挖掘小行星表面石塊，并拋離小行星，利用動量守恒定律改變其軌道。

挖掘機(jī)的點子已經(jīng)在游戲中實現(xiàn)

就是不知道要挖多久才有用呢...

（圖：steam）▼

這些手段除了”撞”之外，均處于構(gòu)想階段，還未驗證。動能撞擊已被應(yīng)用于小行星防御任務(wù)（DART），已是較為成熟的小行星防御手段。

小行星防御任務(wù)的開展

2017年，為了證明防御策略具有備戰(zhàn)能力，國際小行星預(yù)警網(wǎng)絡(luò)（International Asteroid Warning Network, IAWN）以2012 TC4為目標(biāo)開展了一場全球行星防御演習(xí)，共有14個國家參與了此次演習(xí)。

該演習(xí)目標(biāo)是使用全球的觀測資源，對該小行星進(jìn)行聯(lián)合觀測、建模和預(yù)測，并測試實時協(xié)調(diào)和交互網(wǎng)絡(luò)的能力。盡管由于颶風(fēng)等不可抗力的原因而使演習(xí)失敗，但在實時協(xié)調(diào)和結(jié)果共享上取得了成功。國際小行星預(yù)警網(wǎng)絡(luò)會實時更新與地球近交匯的小行星列表。

直徑約12m的小行星2012 TC4

在地球上空約43500km處以14km/s的速度飛掠地球

（圖：NASA/JPL-Caltech）▼

2022年9月27日，NASA的雙小行星重定向測試（DART）航天器成功撞擊了一顆名為迪莫弗斯（Dimorphos）的近地小行星。該小行星的直徑約為160m，是雙小行星系統(tǒng)中的伴星，主星為780m的迪迪莫斯（Didymos）。

DART任務(wù)將航天器在距離地球約1100萬千米處，以約3.6km/s的速度撞向迪莫弗斯，并成功將其繞行迪迪莫斯的12小時軌道周期縮短了約32分鐘。

DART任務(wù)的示意圖

（圖：dart.jhuapl）▼

觀測表明，撞擊后，該雙星系統(tǒng)增亮7倍以上，并且形成了一條長數(shù)萬千米的塵埃尾。

視頻分別是在迪迪莫斯視角下撞擊的瞬間和撞擊后對塵埃尾的模擬結(jié)果。此次撞擊實驗取得了高度成功，驗證了動能撞擊防御小行星技術(shù)。

DART任務(wù)中在迪迪莫斯視角下撞擊迪莫弗斯的瞬間

（圖：ESA）▼

DART任務(wù)在撞擊后，對塵埃尾的動力學(xué)模擬

用不同顏色標(biāo)注了不同直徑塵埃顆粒的演化軌跡

（圖：Wiegert）▼

繼美國之后，我國在4月25日公布了近地小行星防御的發(fā)展藍(lán)圖，并計劃在2030年實現(xiàn)一次小行星的動能撞擊任務(wù)。

盡管我國在小行星防御方面起步較晚，但嫦娥二號，天問一號深空探測任務(wù)的成功開展，以及天問二號深空探測任務(wù)將對2016 HO3近地小行星進(jìn)行采樣返回，對311P彗星進(jìn)行飛掠探測。這都為我國未來的小行星防御技術(shù)提供了較好的基礎(chǔ)。

中國雖然起步晚，但勝在底子好▼

目前，我國的小行星撞擊任務(wù)處于論證階段，并正式向民眾征集任務(wù)名字、任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)方案等。

此外，中國深空探測實驗室還公布了小行星動能撞擊任務(wù)的10顆候選目標(biāo)，其相關(guān)信息詳見下表。值得注意的是，這10顆小行星中直徑最大的僅為89m，雖然直徑越小，動能撞擊效果可能越顯著，但是這也為工程技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。

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我國的小行星撞擊任務(wù)首先必須滿足5個基本條件：

撞擊后不會對地球產(chǎn)生威脅；

目標(biāo)軌道傾角不大于7°，偏心率不大于0.6；

在撞擊前，地基望遠(yuǎn)鏡至少有一次觀測窗口；

撞擊時，國內(nèi)的地基望遠(yuǎn)鏡可見，撞擊后，3年間至少有一次觀測窗口；

目標(biāo)必須符合在2025年-2045年的任務(wù)發(fā)射窗口。

該任務(wù)致力于實現(xiàn)3大科學(xué)目標(biāo)和3大工程目標(biāo)。

3大科學(xué)目標(biāo)為：

研究撞擊目標(biāo)的動力學(xué)演化規(guī)律，探測目標(biāo)的軌道特征；

探測目標(biāo)的形狀、大小、成分和結(jié)構(gòu)；

研究撞擊動量傳遞規(guī)律，開展地形變化和濺射物分布等研究。

3大工程目標(biāo)為:

形成動能撞擊在軌處置能力，實現(xiàn)在高速下高精度制導(dǎo)和控制能力；

實現(xiàn)地基監(jiān)測和天基探測兩盒評估模式和方法；

建設(shè)預(yù)警與處置決策支持平臺。

近地小行星防御任務(wù)的開展不僅有利于保護(hù)地球和人類安全，而且將進(jìn)一步激發(fā)人類探索宇宙的探險精神，提高人類進(jìn)入太空的科技水平。

參考資料：

1. 首屆深空探測（天都）國際會議，2023年4月25-26日，合肥。

2. 李明濤， 小行星防御有“術(shù)“， 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，2022， （12）,36-39.

3. https://ssd.jpl.nasa.gov/

4. Hildebrand A.R., Penfield G. T, et al., Chicxulub Crater: A possible Cretaceous/Tertiary boundary impact crater on the Yucatan Peninsula, Mexico.

5. https://iawn.net/close-approaches/ca-table.shtml

6. https://www.esa.int/

*本文內(nèi)容為作者提供，不代表地球知識局立場

封面：壹圖網(wǎng)

END

原標(biāo)題：《中國這次搞的防御計劃，是真的猛》

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