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小行星防禦:如何做好「地球守門員」?

2024-01-23科學

對於小行星,普通大眾往往會賦予其浪漫的色彩,而科學家卻將其視為或將襲擊地球的人類殺手。

截至2024年1月15日,人類已經發現了34082顆近地小行星。

這些小行星會對地球產生何種影響?我們應該如何應對?

●南方日報駐京記者 劉長欣 王詩堃

小行星威脅

絕大部份「撞地」小行星

消失在大氣層中

如果把太陽系的形成,比喻為建造一座高樓大廈,太陽和八大行星就是主體結構。在大廈完工後,太陽系「工地」上還殘存著一些建築材料,就是小行星和彗星,人們將其統稱為小天體。這是李明濤的科普新著【調皮的小行星】所作的比喻。李明濤是中國科學院大學空間科學系統工程教研室主任,長期從事小行星防禦與利用的航天器軌域最佳化設計,他幽默自稱為「地球守門員」。

「2017年以來,每年都有至少一顆米級尺寸小行星進入中國上空,所幸尺寸較小,沒有引發任何災難。」李明濤提到,通常來說,米級小行星絕大部份都在大氣層中燒蝕殆盡,不會對人類造成威脅。

根據NASA噴射推進實驗室統計,截至2024年1月15日,已發現860個直徑大於1千米的近地天體,如果把標準放寬到直徑140米,則有10757個。

從地面到太空

對「危險分子」查戶口、建檔案

防禦小行星,分幾步?空間碎片與近地小行星防禦領域專家組首席專家龔自正給出的答案是三步:第一步,發現它、探測它、辨識它;第二步,評估它、研判它;第三步,阻止它。

「對於小行星來說,地球上只有一種人。小行星的撞擊是無差別的。」電影制片人、編劇菲爾·格羅夫斯呼籲,小行星撞擊是人類的共同威脅,只能全人類一起面對。

歷史上絕大多數小行星撞擊事件,都是事後才被人類察覺。

中國航天科普大使、中國科學院國家空間科學中心研究員周炳紅的觀點是:「與地震和洪水不同,我們可以提前發現接近地球的大型小行星。利用現代的天文技術,科學家能夠追蹤這些小行星的軌域並預測它們是否會撞擊地球。」

李明濤認為,以查戶口、建檔案的方式釘選這些太空中的「危險分子」,是行星防禦領域的當務之急。

周炳紅對南方日報記者說,許多近地小行星體積較小,反射的陽光較弱,難以被地面或太空望遠鏡探測到。它們的軌域可能非常橢圓,有時非常接近太陽,使得從地球上觀察時,它們隱藏在太陽光的炫光中——這都給小行星的監測帶來不小的難度。

「已經編目的近地小行星,超過98%由美國望遠鏡發現。」李明濤表示,「中國急需建設專用於近地小行星巡天的大口徑光學望遠鏡。」

不過,地基觀測手段也有一定的弊端,比如只能夠探測夜空方向。車裏雅賓斯克事件的小行星就發生在白天,從太陽方向悄悄溜來,躲過了地球上所有望遠鏡的監視。

可見,人類有必要擺脫地面環境的桎梏,直接在太空中布設自己的「耳目」。

地球保衛戰

「動能撞擊」vs「以石擊石」

科學家們同樣在思考:如果在小行星撞擊之前,就對其執行施加影響,是不是更好的選擇?

當下,在太空對近地小行星實施主動防禦已成為重大課題。目前學界主要有三種設想,分別是利用長期作用力來改變小行星軌域、利用動能撞擊、利用核爆炸三種。

周炳紅分析,重力牽引方法則較為溫和,但需要長時間作用才能顯著改變軌域。「目前認為最有可能的方案是透過航天器撞擊偏轉改變小行星軌域(即動能撞擊),而不是直接摧毀它。」

2022年9月27日,NASA執行了人類歷史上第一次小行星防禦演習,使用一顆名為「DART」的衛星,在1100萬公裏外撞擊了一顆直徑160米的小行星,並改變了其相對主星的軌域。

如果將「動能撞擊」比作西方的拳擊,那李明濤、周炳紅等科學家2020年提出的「以石擊石」,則代表中國功夫的哲學理念。

後者屬於增強型動能撞擊器(EKI)的概念,該概念透過操縱空間巖石來偏轉大型潛在危險小行星。周炳紅表示,該方案意味著撞擊體的質素可以從幾噸增加到上百噸,撞擊偏轉效果得到數量級的提升。

李明濤透露,「以石擊石」為代表的新概念靈巧軌域偏轉防禦方法,目前已獲得了相關專案的初步支持,正在進行深入論證分析。

隨著近年來中國航天科技不斷取得突破性進展,尤其是載人航天任務和探月工程,為實施小行星防禦任務提供了堅實的技術基礎和經驗。

中國深空探測實驗室系統研究院院長陳琦介紹,中國已提出了近地小行星防禦的發展藍圖,並計劃在2030年實作一次對小行星的動能撞擊。

「這意味著中國近地小行星防禦系統已經進入實操階段。」李明濤相信,未來,中國一定可以在行星防禦領域有所作為。