小行星會碰撞地球嗎？科學家如何應對

8月16日，一顆代號2020 QG的小行星從印度洋上空飛掠過地球，距地面僅約2950公里，這顆小行星從人造衛(wèi)星中軌道區(qū)(2000km—20000km)越過地球!更為驚險的是，在這顆小行星造訪地球6小時后，人類才發(fā)現(xiàn)其存在。

宇宙并不像我們想象的那么安靜，空間中漂浮著無數(shù)星體，這些星體圍繞各自的軌道運行，那些與地球運行軌道相交的星體稱作近地小行星(Near-Earth Asteroid)。

只要這些小行星和地球同時運行到相交點，雙方就會發(fā)生碰撞。小行星撞地球并不罕見。6500萬年前，一顆估算直徑約為10km的小行星撞擊地球，造成物種大滅絕，這也是有史以來最嚴重的一次撞擊。1908年發(fā)生的通古斯大爆炸也是由墜落地球的小行星引起，將方圓2000多平方公里內(nèi)的樹木焚毀殆盡。

幸運的是，目前幾次較為嚴重的撞擊事件都發(fā)生在偏遠地區(qū)。如果撞擊的地點是人口密集的城市，人類應當如何防御呢?

防御的前提是發(fā)現(xiàn)。目前許多國家都在監(jiān)測近地小行星，紫金山天文臺盱眙觀測站是中國目前唯一一個近地小行星觀測站;美國建立了巡天系統(tǒng);歐洲也有自己的“太空態(tài)勢感知計劃”。

監(jiān)測確定了來襲小行星的軌跡后，便可著手開始進行防御。人類目前已經(jīng)提出了幾種防御措施：核爆、動能撞擊、激光燒蝕、離子束牽引、引力拖曳、質(zhì)量驅(qū)動、太陽光壓等。除了利用大規(guī)模核爆完全摧毀小行星外，這些方法基本都是通過改變小行星運行軌道實現(xiàn)的。

簡單粗暴核武器

核爆是目前公認的最主要手段，通過向目標小行星發(fā)射核彈或者在其表面鉆孔放置核彈從而達到摧毀或改變其軌跡。關于這一手段的可行性，已經(jīng)有實驗佐證。

那么，需要多少核彈才能摧毀一顆小行星呢?

由于每顆小行星的大小和成分各不相同，這個問題并沒有確切的答案。不過，還是有科學家進行過相關實驗，可以為我們提供一些參考。

2012年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory,LANL)使用超級計算機進行了一次核爆模擬實驗。實驗中模擬的小行星長約500米，寬約250米，材質(zhì)為花崗巖，所使用的核彈當量為100萬噸，大約是美國轟炸長崎的原子彈的50倍。

這次模擬實驗采用空中引爆的方式，引爆高度根據(jù)日本“隼鳥”小行星探測器的數(shù)據(jù)確定。實驗結(jié)果相當成功，實驗人員表示：“如果地球在將來面臨小行星撞擊威脅，我們可以采用這種方式應對。”

但是，這次模擬實驗也還存在一些問題。首先是材質(zhì)，近地小行星并不是全是巖石結(jié)構，還有許多的主要成分是鐵、鎳等金屬。核爆能否完全摧毀這些小行星還不得而知。

此外，實驗模擬數(shù)據(jù)顯示，核爆無需在小行星內(nèi)部進行，在表面引爆就可消除威脅。這一結(jié)論被之后的一場實驗“打臉”。

2018年，俄羅斯科學家進行了激光摧毀小行星的模擬實驗。實驗中使用的寬約8~10毫米的微型小行星都是人造的，不過其密度、硬度、形狀、成分和孔隙都與真實小行星的數(shù)據(jù)一致。

科學家向這些人造小行星發(fā)射激光，從而測得了摧毀每克小行星物質(zhì)所需的能量。最終，實驗結(jié)果顯示摧毀直徑約200米的非金屬小行星需要一顆300萬噸當量的核彈，威力約相當于美軍在長崎投放的原子彈的150倍。

這次實驗還顯示，如果瞄準小行星表面的鉆孔發(fā)射激光，從內(nèi)部將其引爆，那么所需的能量會小得多?？磥恚褂煤藦椆魰r，位置的選擇也相當重要。

就核爆本身來說，可以完全摧毀最好，但如果發(fā)射的核彈當量不足，或者因其他因素未能摧毀小行星核心結(jié)構，小行星表面必定沾染放射性物質(zhì)，這樣的小行星對地球的危害更大!即便被完全炸毀，也不排除碎片在自身引力作用下再次聚合的可能。

該手段的優(yōu)勢也很明顯。核彈方式較為靈活，所需時間也比其他方案短。再者，人類有能力制造大當量核彈(有史以來最大的核彈當量已達到5000萬噸)并將其發(fā)射至目標小行星。

因此，即便核爆手段存在一些潛在問題，它仍是目前可行性最高的方案。在美國2010年發(fā)布的《捍衛(wèi)地球：近地物體調(diào)查和減災戰(zhàn)略 》報告也稱：“對于警告時間短的大型潛在危險小行星，核爆是唯一可行的選擇”。

“換湯不換藥”的軌道偏離法

上面說過，動能撞擊、離子束牽引、拖船、質(zhì)量驅(qū)動、引力拖曳、太陽光壓、激光燒蝕等方案都是通過改變小行星運行軌跡來防御的，只是各自的具體手段不同：

動能撞擊即施加沖擊力迫使小行星改變軌道。

離子束牽引是利用飛船發(fā)射的離子束將小行星推離原軌道。

拖船法即使用太空飛船將小行星拖離原軌道。

質(zhì)量驅(qū)動是利用小行星自身的質(zhì)量變化使其改變軌道，前提是需要發(fā)射登錄器對小行星進行鉆取，改變其質(zhì)量。

引力拖曳是指利用重型航天器和小行星之間存在的引力使后者偏離原定軌道。這一方案要求航天器貼近小行星飛行，達到相對靜止的效果。航天器質(zhì)量越大，產(chǎn)生的引力就越大。

太陽光壓利用了波粒二象性，在小行星表面安裝大型太陽能板，利用太陽光的壓力推動小行星改變軌道。2004年，日本通過太陽光壓法成功使兩個太陽帆在太空飛行了兩分多鐘，這也證明了光壓確實能產(chǎn)生推力。

激光燒蝕法是利用激光光束攔截和偏轉(zhuǎn)小行星。美國科學家已在實驗室環(huán)境下進行過類似實驗，他們使用“DE-STAR(小行星和星際探索目標定向能量系統(tǒng))”燒蝕玄武巖使其發(fā)生質(zhì)量變化，從而改變其運行路徑。實驗結(jié)果顯示，玄武巖樣本逐漸減速、停止之后，又再次逆向旋轉(zhuǎn)。但是，要燒蝕直徑為米級甚至千米級的小行星，對激光束能量要求很高，目前人類科技還無法滿足此要求。

上述幾種方案中，離子束牽引、激光燒蝕法目前存在較大技術障礙;太陽光壓、引力拖曳稍顯被動，實際偏轉(zhuǎn)效果較小;質(zhì)量驅(qū)動、拖船法簡單易懂。下面我們重點討論一下動能撞擊。

2005年，美國宇航局“深度撞擊”號飛船發(fā)射撞擊器(372kg)，以10.2km/s的速度準確擊中坦普爾1號彗星(長約14km，寬約4km)并使其偏離原軌道，偏轉(zhuǎn)速率為0.0001mm/s，與近日點的距離縮短了10米。

美國宇航局還計劃在2022年實施雙小行星重定向測試(Double Asteroid Redirection Test)，使用質(zhì)量555kg的航天器，以6.65km/s的速度撞擊迪蒂莫斯(Didymos)雙星小行星系統(tǒng)中較小的一顆，預計產(chǎn)生0.8-2 mm / s的軌道偏轉(zhuǎn)。

2020年5月，中國科學院的研究人員于提出了增強動能撞擊法。該方案共四個階段：發(fā)射航天器進入預定軌道;航天器飛至其他小行星附近，將其拉攏形成聚合體，如果小行星質(zhì)量過大，也可在其表面開采巖石;聚合體在航天器機動作用下向危險小行星飛行;完成撞擊。

該成果已在線發(fā)表于Scientific Reports期刊，審稿人稱其為“新穎、有趣、潛在非常高效的防御危險小行星方法。”

該論文以毀神星(Apophis)作為模擬對象。毀神星直徑約300—400米，質(zhì)量6100萬噸，與地球相撞的概率一度達到2.7%。如果發(fā)生撞擊，將釋放相當于15.3億噸TNT炸藥爆炸的能量。不過，最新的觀測報告已經(jīng)排除了相撞的可能性。

研究人員在論文中進行了詳細的可行性論述。

首先是飛行問題。此前，美國宇航局發(fā)射了NEAR航天器并在小行星表面成功降落，因此這一階段的任務難度不大。

其次是捕獲小行星，在到達安全小行星后，航天器對其進行觀測并自動匹配小行星的旋轉(zhuǎn)速率，隨后從極點位置釋放捕獲網(wǎng)將目標包裹起來。最后再使用反應控制系統(tǒng)(RCS，即通過發(fā)動機的推力改變運行狀態(tài))解除航天器和小行星的自轉(zhuǎn)。

收集巖石階段，航天器擁有2個捕獲臂(capture arm)和3個接觸臂(contact arm)。前者用于固定航天器，后者用于驅(qū)動。兩個捕獲臂上百個微型抓鉤可以使航天器牢牢固定在各種表面。

最后便是使用航天器運送聚合體的過程，根據(jù)凱克空間研究所(Keck Institute for Spacce)的模擬實驗，將重達1800噸的小行星運送至地球和月球之間是可行。

論文指出，增強動能撞擊法的優(yōu)勢之一在于其突破了地面發(fā)射的局限性，“利用當前技術顯著增加了撞擊器的質(zhì)量”。由于地球重力，運載火箭的運載能力受到了限制，因傳統(tǒng)方法的撞擊器質(zhì)量一般都很小。

從下表的模擬數(shù)據(jù)看出，增強撞擊器的質(zhì)量遠超過前者，最終的速度增量和距離都優(yōu)于前者。研究人員表示，與傳統(tǒng)的動能撞擊相比，加強版撞擊可以將偏轉(zhuǎn)效果提升一個數(shù)量級。

其次，這一方法還將科學與行星防御探索相結(jié)合，在行星聚攏和鉆探中采集的數(shù)據(jù)對空間探索也大有裨益。

不過，由于需要聚合小行星，增強撞擊所需時間顯著增多，這對觀測并確定潛在威脅小行星的位置提出了更高的要求。此外，實施過程中還需要計算用作聚合體的安全小行星的軌道，且該小行星的速度增量必須低于撞擊器和安全小行星。所選擇的安全小行星的成分對于開采巖石也有一定影響。