撇開NASA另起爐灶?小行星近地防禦:中國獨立組建小行星防禦系統

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《環球網》4月24日報道:

今天(4月24日)是中國航天日,也是我國第一顆人造地球衛星“東方紅一號”成功發射52周年紀念日,國傢航天局副局長吳艷華近日在接受總臺央視記者專訪時表示,我國將著手組建近地小行星防禦系統,同應對近地小行星撞擊的威脅,為保護地球和人類安全貢獻中國力量。

完善建立地基天基對小行星的監測預警系統,研究探索相關的技術和工程,有沒有可能解除這些威脅,著手組建近地小行星防禦系統,組織編制近地小行星防禦發展規劃。

看過《三體》的朋友對行星防禦理事會(PDC / Planet Defence Council)應該比較熟悉,對於三體人的大舉入侵,地球上的資源都將由PDC來調配準備應對可能發生的太陽系之戰,可惜由於科技的代差,木星之戰中太陽系艦隊幾乎全軍覆沒。

小行星防禦系統:到底是幹什麼的?

盡管目前確實發現瞭位於半人馬座的比鄰星確實存在一顆行星,但三體人入侵的威脅卻沒有,我們要防禦的隻是太陽系內“亂竄”的小行星,當然還有彗星!

小行星和彗星究竟是如何成為威脅的?

很多朋友都喜歡用“亂竄”來形容小行星,但其實小行星也是在各自運行的軌道上,這些太陽系形成之初遺留下來的“碎屑”數十億年來一直在太陽系內“遊蕩”,以“亂竄”和“遊蕩”形容它們是因為有如下幾個特點:

1、小行星質量太小,靠近大型天體時會被其引力改變軌道;

2、小行星數量太多瞭,其軌道要是畫出來,木星軌道內一團漿糊,柯伊伯帶一片雪花;

這些小行星實在是太多瞭,據科學傢估計,數量可能在數百萬以上,不過絕大部分小行星都對地球沒有威脅,但有兩類小行星對地球威脅非常大:

1、軌道與地球軌道交叉的小行星;

2、周期彗星和非周期彗星;

比如小行星帶的小行星,軌道是環繞太陽公轉、大致和地球“平行運行”的天體,大傢老死不相往來,這些小行星就很安全!但穿越地球軌道的小行星就比較危險瞭,主要有兩大類:

阿登型小行星:平均軌道半徑接近一個天文單位 (AU,日地距離),而遠日點大於地球的近日點(0.983AU)阿波羅型小行星:平均軌道半徑位於地球軌道外,近日點位於地球軌道內

不過地球軌道半徑達到瞭1.5億千米,隻有在某些“特殊場合”與地球“照面”的小行星威脅才特別大,阿波羅型小行星有4000多顆,阿登型小行星有670多顆,但威脅地球的也不過是其中一部分。

阿波羅與阿登型小行星

除瞭小行星以外,周期彗星和非周期彗星對地球威脅也非常大,這些彗星一般來自太陽系的彗星“倉庫”柯伊伯帶,由於遠在遙遠的太陽系“雪線”(即使受到光照,本身的“臟雪球”也不會融化),這些天體受到柯伊伯帶的引力擾動或者碰撞,會進入內行星軌道,環繞太陽公轉。

柯伊伯帶已知天體在主帶天體顏色為綠色

此時其軌道平面一定會和地球軌道相交,有的則是立體相交,有的會直接穿越地球軌道,其一路上會撒下大量碎屑,當地球穿過時就是我們看到的各個星座的流星雨,但它們帶來的卻不隻是浪漫,假如彗星在穿越地球軌道時候,地球剛好路經此處,災難就會即刻發生。

這些直徑數百米到數千米不等的彗核,質量可能高達數千萬乃至數十億噸的彗核,以超過10千米/秒的速度撞入地球大氣層,其產生的能量堪比沙皇氫彈爆炸,甚至還要更強,比如6500萬年前的恐龍滅絕就是一顆小行星或者彗星引起的。

小行星編號為2011ES4,直徑在22至49米之間,約普通樓房大小。

小行星或彗星引發的威脅事件

1908年通古斯事件:1908年6月30日,一顆石質小行星在通古斯的上空爆炸,釋放出超過2000萬噸TNT的能量,超過2,150平方公裡內的8千萬棵樹焚毀倒下,據估計爆炸發生在8.5公裡的高度上,物體的直徑在45-70米之間。2002年東地中海事件:2002年6月6日,一顆直徑約10米左右的天體在希臘和利比亞之間的地中海高空發生爆炸,當量大約為2.6萬噸,沒有人員造成傷亡。2013年俄羅斯車裡雅賓斯克小行星爆炸:2013年2月15日,一顆直徑約15米,質量約7千噸的小行星以15千米/秒的速度闖入大氣層,在車裡雅賓斯克南方的葉曼熱林斯克和南烏拉爾斯克之間的上空約30千米高度發生爆炸,其當量約50萬噸TNT,造成地面1491人受傷,沒有人員死亡。

小行星來襲:為什麼不預警?

看到這裡,相信很多朋友已經有疑問瞭,這小行星威脅確實太大瞭,要是通古斯卡那樣的事件在紐約或者東京,又或者巴黎和倫敦發生,其造成的傷亡可能高達百萬甚至千萬,我們能事先知道嗎?就算無法避免,先通知疏散也是可以的!

各位不要著急,已經有瞭!NEAT(Near-Earth Asteroid Tracking)就是一個追蹤近地小行星的計劃,這是NASA(美國宇航局)的一項近地小行星搜索及跟蹤計劃。它由兩臺口徑均為1.2米(48寸)的望遠鏡組成,分別架設在美國夏威夷毛伊島(MPC CODE 608)和加州聖地亞哥附近的帕洛瑪山(MPC CODE 644)。

其搜索原理簡單到你原地爆炸,漫天都是星星,但小行星是圍繞太陽公轉的,因此隻要堅持一段時間就會發現小行星的星點是移動的,追蹤一段時間就能發現這顆小行星的具體參數瞭。

從1995年以來,該計劃總共發現瞭超過4萬顆小行星!是最成功的的小行星搜索計劃之一,但各位應該是發現瞭一些問題,加州和夏威夷相隔將近5000千米,盡管比單一地點覆蓋率要高,但天氣條件限制以及兩者同屬中低緯度,地球是一個球體,這些小行星可能來自地球以外的任何角度,NEAT搜索並不能覆蓋全天區,怎麼辦?

各種項目檢測到 的NEO數量

其實除瞭NEAT以外,還有卡特琳娜巡天(CSS),主要執行者是美國亞利桑那州圖森附近的管傢天文臺的卡特琳娜站進行,在南半球的對應項目是Siding Spring Survey (SSS),截止2020年,卡特琳娜巡天總共發現瞭超過5萬顆小行星,占已知近地天體總數的 47%。

卡塔利娜巡天

林肯近地小行星研究( LINEAR ):美國空軍、美國宇航局和麻省理工學院林肯實驗室的合作項目,截至2011年9月15日,LINEAR已檢測到 231,082 個新的太陽系小型天體。

洛厄爾天文臺近地天體搜索( LONEOS):美國宇航局資助,由亞利桑那州弗拉格斯塔夫洛厄爾天文臺的天文學傢泰德鮑威爾執行的項目,1998年至200 年間總共發現瞭 22,077顆小行星。

洛厄爾天文臺近地天體搜索( LONEOS)

哨兵系統(CNEOS,Center for NEO Studies):NASA下屬的JPL近地天體研究中心推動的一個高度自動化系統,持續監測小行星目錄,以尋找未來100多年內小行星與地球撞擊的可能性。

除瞭這些小行星搜索以外,還有歐洲天文臺以及歐南天文臺,另外還有俄羅斯天文臺以及全球各國的天文臺觀測時的小行星副產品,還有民間愛好者組織的小行星搜索,比如我國比較有名的是新疆星明天文臺,而更多愛好者的則是利用大型天文臺拍攝的照片進行處理對比搜索小行星。

潛在威脅小行星( PHA )

科學傢估算如果直徑超過140米的小行星撞擊地球,會給人類帶來重大災難,甚至能摧毀一個國傢。所以國際上把直徑大於140米且離地球軌道最近距離小於0.05個天文單位( 750 萬千米 ),絕對星等小於22小行星定義為:潛在威脅小行星( PHA )。

為什麼還有那麼多漏網之魚?

相信各位應該意識到瞭有些不對,盡管全球搜索近地小行星的項目有很多,但從來沒聽說過車裡雅賓斯克的小行星爆炸之前有過警告,那麼大的事件居然在發生之前都是靜悄悄的!

而真相則是大部分在地球上“爆炸”的小行星我們都不知情,至少在發生以前不知情,甚至有的在發生之後都不知情!下圖是從1988年以來地球上發生過的小行星事件,除瞭幾次大的各位聽說過以外,其他的可能一無所知!

密密麻麻,是不是很恐怖?這些都是沒有預警的!不過有一個案例:2008 TC3,堪稱現代小行星“防禦”的一個經典案例:

2008年10月6日凌晨6時39分(UTC,亞利桑那時間10月5日晚上11時39分),卡特琳娜巡天系統(CSS)發現一顆小行星,並且測量出瞭距離為480,500千米,略大於地月距離,CSS報告給瞭MPC的同時發現這顆小行星將會撞上地球。

此後的19個小時內,全球能觀測到這個天體的天文臺和愛好者都行動起來,以大量觀測計算出瞭最精細的軌道確認其最後撞擊的位置,因為這是有史以來第一次在小行星撞擊之前發出預警,將撞擊蘇丹北部。

圖中的藍線是小行星接近地球的軌道

這顆小行星直徑約4.1米,重量約80噸,以2分鐘為周期的速度自轉,2008年10月7日02:46UTC(當地時間05:46),這顆小型天體以12.8千米/秒的速度撞入地球大氣層,與地平面的方位角為281度,高度角19度,坐標是21.00°N 32.15°E。

2009年2月28日被彼德·詹尼斯肯斯發現的2008 TC3碎片

在臨近地面上空10千米高度時發生爆炸,威力相當於1000~2100噸TNT,《泰晤士報》報導稱這顆流星的光“是如此的強烈,如同滿月照亮瞭天空,一架附近經過的客機也報告看到瞭明亮的閃光。

防禦瞭嗎?顯然來不及!因為我們未能“先敵發現”,發現得太晚瞭,從發現到撞擊隻有20小時不到,根本來不及防禦,為什麼不能早點發現?

其實原因很簡單,看不見!一來是這些小行星實在太小,太暗淡,比如2017年著名的天體奧陌陌,視星等在21等以下,就算是數米口徑的望遠鏡也得長時間曝光後才能發現,並且還極其暗淡。

假如天文臺觀測天區不對、假如當時天文臺上空陰雲密佈、假如天文臺觀測檔期被占、假如拍攝瞭大量資料照片沒有計算機處理,那麼這顆小行星在撞上地球之前不會有人知道,很多小行星都是經過地球附近或者撞擊之後的第二天才看到新聞。

要是2008年撞入蘇丹北部的這顆小行星直徑500米、直徑1000米怎麼辦?估計大傢隻能眼睜睜看著它撞入地球,因為20小時啥都幹不瞭,除瞭天文愛好者架起望遠鏡對準這個目標來看看熱鬧。

真的什麼都幹不瞭?小行星如何防禦?

準確地說小行星防禦還是有可能的,而這個所謂的“防禦”有兩大前提:

1、及早發現

2、準確預測其軌跡

看上去似乎不難,上文介紹瞭那麼多小行星發現的機構,但發現一直以來就是個難題,而接下來準確預測其軌跡其實是另一個極端的挑戰,因為小行星軌道預測準確度極差,以著名的奧陌陌(1I/2017 U1)為例,這個科學傢就經歷瞭一次烏龍。

2017年10月18日,泛星一號(Pan-STARRS:夏威夷毛伊島海勒卡拉火山頂)發現瞭一個極端軌跡的天體,其在一條雙曲線軌道上運行,遠高於逃離太陽系的速度,當時距離地球約0.2 AU。

發現時早已過瞭近日點,並且也過瞭近地點,正在離開太陽系的“路上”,後被命名為1I/2017 U1,也就是奧陌陌!2018年6月27日,科學傢發現瞭奧陌陌的軌道存在非重力加速度,簡單地說就是奧陌陌的實際位置要比理論預測位置更靠前,計算後奧陌陌的非重力加速速度為17米/秒。

當時很多媒體都猜測這是一艘宇宙飛船,其中就有哈佛大學天文系主任阿維·勒佈(Avi Loeb),不過天文學傢們顯然不會輕易認為這是飛船,而是太陽輻射導致奧陌陌出現瞭彗星一樣的排氣產生的推力。

而對於彗星和小行星天體來說,前者是排氣導致的異常加速與減速現象,而後者則是不均勻的輻射壓,速度增減就意味著軌道改變,比如空間站抬升軌道並不是朝著地球噴氣,而是在後方加速讓其速度增加自然抬升軌道!

因此速度一變,軌道就改變瞭,原本會撞擊,結果不撞地球瞭!想要準確預測軌跡非常困難,這就成瞭一個大問題,那麼這顆小行星到底會不會撞上地球呢?是該防還是不該防?

如何防禦?

瞭解瞭軌跡預測的難點後,假如這顆小行星排除瞭一切可能後仍然會撞上地球,那麼該準備如何防禦瞭吧,有哪些方法呢?

好萊塢大片中一般都是用核彈轟的,而現實中的方法則是靜悄悄的改變其軌道,因為這有一個問題,核彈毀傷其實主要是沖擊波,在小行星表面爆炸毀傷效果並不好,因此真的需要鉆孔或者鉆地彈攻入內部爆炸,一來難度太高,二來可能需要多次爆炸,另外炸裂瞭碎片仍然可能像散彈一樣飛向地球,更難處理。

因此最佳的處理方式是改變其軌道,讓其從遠離地球的方向掠過!格林尼治標準時間2021年11月24日6點21分,SpaceX Falcon 9火箭搭載著一個探測器“DART”從加利福尼亞州中部的范登堡太空部隊基地發射升空,在10個月的時間內追上小行星Dimorphos,並且撞上它。

這就是改變小行星軌道的“DART”計劃,撞擊小行星,改變小行星的軌道,以便在未來木面臨小行星威脅時候實施,而這次測試取得的大量數據將為未來執行“行星防禦”準備。

撞擊改變軌道顯然是一種比較有效的方法,不過除瞭撞擊以外,還有很多方法都可以,比如科學傢想出瞭天才的解決辦法,發射衛星聚焦陽光加熱小行星,讓其蒸發物質產生噴射動力改變軌道,或者使用激光加熱,或者塗色讓其輻射不均,或者引力拖拽等等,如下圖:

不過顯然這種方式改變軌道會相當緩慢,少則需要幾個月,長則幾年!因此必須在小行星威脅地球數月甚至數年前就執行該計劃,力爭將小行星威脅消除。

當一切手段都徒勞,比如時間太短或者改變軌道失敗,那麼造避難所計劃就會提上日程,目前在實施或者已經實施的種子保存計劃,DNA保存計劃等等都將發揮出功能,隻是我們希望這些人類備份的計劃永遠都用不上。

小行星防禦:中國能做什麼?

有人說NASA早已在建設小行星近地防禦,中國還要搞什麼近地防禦?其實這和NASA根本就沒什麼關系,再說美國也早就在2011年正式通過瞭《沃爾夫條款》,以法令的形式直接禁止瞭中美兩國間的任何航天技術合作,所以我們這不是另起爐灶,而是獨立組建!

近些年來我國天文科學領域發展非常快速,眾所周知的就是FAST射電望遠鏡以及西藏γ射線實驗天文臺,還有正在規劃的青海冷湖賽什騰山等都是世界級的天文臺,隨著我國在天文觀測領域的發展,小行星防禦必將提上日程。

青海冷湖賽什騰山建設工地(央廣網發 王小龍 攝)

小行星防禦,如上文介紹,分為兩個部分,首先就是發現,編制對地球有危險的小行星列表,這是第一步!盡管各國都有瞭巡天觀測的天文臺和望遠鏡,但我國國土面積遼闊,如果觀念可以補上地球上很大一片空白,顯然這是十分有必要的。

國傢航天局副局長吳艷華介紹:

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,既進行抵近觀測,又實施就近撞擊,就改變它軌道進行技術實驗,這樣為我們未來人類真正應對小行星地外天體對地球傢園的威脅,真正作出我們中國新的貢獻。

Planetary Defense Conference:第一屆全國行星防禦大會

就是PDC,各位沒有看錯!早在2021年10月23日,在我國廣西桂林召開瞭第一屆全國行星防禦大會,和《三體》的行星防禦簡寫一模一樣,並且這還不是《三體》愛好者玩玩,因為參會的都是國內天文界頂流:

北京理工大學、 中國科學院國傢空間科學中心、中國科學院紫金山天文臺等,都是業界的巨佬,他們都是玩真的,因為小行星對地球威脅看起來很遙遠,但其實很近,也許就迫在眉睫。

從與會者討論的內容來看,筆者最關心的就是“動能撞擊偏轉小行星軌道在軌驗證任務設計初探”,這個課題和國傢航天局副局長吳艷華介紹方案很可能就是同一個,和目前NASA正在實施的DART計劃如出一轍。

目前全球也就中美以及歐空局和俄羅斯等極少數幾個國傢和地區能實施如此龐大的計劃,說大瞭是為人類防禦小行星做貢獻,事實上也是,因為在小行星撞擊影響是全球性的,並不是那個國傢比較倒黴。

2021年7月7日,英國《每日郵報》就曾報道過中國的科學傢發表在《伊卡洛斯》上的論文,目的是論證火箭+動能撞擊器對於改變像Bennu(貝努)這樣的小行星需要多少次發射。

這個直徑492m的天體是一顆阿波羅型小行星,看起來像是一顆骰子,NASA的奧西裡斯號探測器於2021年對Bennu進行瞭采樣,預計將於2023年返回地球。

貝努

中國科學計算的結果是需要23 枚“長征五號”火箭的連續撞擊,才能將Bennu這樣的天體改變的軌道,避免其撞上地球(其實Bennu還真有一定的概率會撞上地球)。

延伸閱讀:都靈指數

都靈危險指數(Torino scale)是一套用作衡量近地天體撞擊地球的指標,包括小行星和彗星,將其威脅撞擊概率和破壞力成一個數值,來評估其天體撞擊地球的嚴重性。

都靈危險指數使用介乎0至10之間的整數數值,當中“0”代表其撞擊地球的機會微乎其微,又或是在撞擊地球前會給其大氣層摩擦燃燒殆盡;而“10”則代表該物體撞擊地球的機會十分大,並足以造成全球性大災難。

X軸則是撞擊的能量,以兆噸(MT:百萬噸TNT當量)為單位,比如廣島原子彈的威力為0.013MT,數字越大威力也越大,比如沙皇氫彈的威力為50MT等。

毀神星“阿波菲斯”是第一個都靈指數達到過2個的天體,不過隨著對其軌道連續追蹤的精確化後確認,阿波菲斯都靈危險指數於2006年8月5日由一級回落至零級。(完)

參考:

https://m.thepaper.cn/baijiahao_15145625

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S001910352100261X

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  • 本文由 发表于 2022年4月25日
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