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飞船撞击小行星,一次 23 亿元

飞船撞击小行星,一次 23 亿元

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当行星撞上地球,人类该如何应对?6900
万年前小行星撞击地球导致恐龙灭绝的悲剧,给人类留下了心理阴影,影视作品和科幻小说都试图对此提出解决方案。
电影《独行月球》提出 ” 月盾计划 ”
的方案,即人类在月球上部署重型核弹,先摧毁小行星,再利用月球对地球进行掩护,抵挡小行星爆炸产生的碎片。

电影《独行月球》中,人类为抵御小行星的撞击,拯救地球,在月球部署了月盾计划
美国电影《不要抬头》里,面对一颗还有六个月就要摧毁地球的彗星,美国政府打算用飞船将大量核弹运送到太空,利用爆炸的冲击力将彗星推离地球。
阻挡行星毁灭地球的想象,随着一个名为 ” 双小行星重定向测试 “(DART)的任务启动,走向现实。
北京时间 9 月 26 日,一颗被人类发现了 26 年的小行星惨遭宇宙飞船 ” 碰瓷
“。根据人类过去对其运行路径的监测和理解,美国宇航局(NASA)当天成功引导一艘宇宙飞船撞向了它。
南非天文台望远镜观测到了这一幕。一路向前的飞行器,在太空中径直撞向了比它体积大很多的小行星,将它往前推了一把。随后,飞行器像尘埃般消失在太空中。
据 NASA 解释,该小行星没有对地球造成威胁的可能。之所以会选择撞击它,是希望将其当作一项科学应用研究。
这也是全球首次 ” 行星防御 ” 任务的实地试验。类似试验已经在多国部署,欧空局、中国都宣布,未来 5
年内将执行小行星防御计划。
中国也正在加紧部署相关计划。4 月 24 日 ” 中国航空日 ” 当天,中国国家航天局副局长吴艳华透露,中国正着手组建 ”
近地小行星防御系统 “,主要对小行星进行监测,判断危害等级,采取主动手段防御。
以卵击石
9 月 26 日,那颗被飞船撞击的行星仍在运转着。从 NASA
官网上传的高清卫星图可以看出,它就像一个普通的石头,表面坑坑洼洼,一直保持低速运转。

Dimorphos 地表照片
不过,这次人类首个主动防御 ” 行星撞地球 ” 的任务,瞄准的行星并非只有一个。
任务的目标是一个双星小行星系统,名字叫 Didymos,古希腊语的 ” 双胞胎 ” 之意。主星迪迪莫斯(Didymos)直径
780 米,相当于古罗马斗兽场般大。它的小卫星名叫迪莫弗斯(Dimorphos),每 11 小时 55 分钟围绕主星转一圈。
这两颗行星在 1996
年被科学家发现,因为离地球不够远,被列为对地球有潜在危险的小行星以及近地天体。在天文学上,距离太阳最近小于 1.3Au(Au
为天文单位,1Au 等效日地平均距离,即约 1.5 亿千米)的小天体,都是近地天体。
截至 2020 年,人类已经发现了 2.8 万余颗近地小行星。这些小行星在环绕太阳运行时,也可能飞掠地球,上演真实的 ”
火星撞地球 ” 事件。
2020 年 12
月的一个清晨,我国青海玉树的夜空突现一个飞行火球,拖着长尾,以接近水平的角度飞向地面。随后该火球出现了多次空爆,将夜空照亮如同白昼。类似奇观在约
1 分钟后结束,天地恢复平静,无人伤亡。

2020 年 12 月 23 日清晨 7 点 23
分的时候,一颗火流星划过青海玉树和西藏昌都交界的高空,化成陨石降落在中国大地
科学家后来研究发现,这是一次典型的近地小行星 ” 追尾 ”
地球事故。而且,沿着晨昏线飞行的小行星撞地球时,运行路径是人类观测的死角,很难事先预报。
每次小行星无预告的突然降落,都让人类社会体会到冲击和失控感。
因此这一次,DART 任务想主动出击,先撞击小行星。贝尔法斯特女王大学天体物理学家艾伦 · 菲茨西蒙斯在受访时表示,DART
的目的不在于撞毁小行星, 而是测试此前从未试过的小行星轨迹改变技术。”
今后如果地球面临被小行星撞击的风险,就可以采用类似办法。”
当地时间 2021 年 11 月,搭载着马斯克 SpaceX 猎鹰 9 号火箭,DART
航天器在加州范登堡空军基地发射升空。经过 10 个月的飞行,航天器终于抵达迪迪莫斯附近,自杀式撞击任务即将实施。

组装中的 DART 航天器
据悉,在撞击发生 4 小时前,航天器变得完全自主。地面控制人员只保留手动指挥的能力。
策划 DART 的科学家安德鲁 · 里夫金、南希 · 查博特等人曾在一篇论文中解释,撞击的最佳时间就是 2022
年。因为这两颗小行星正好运行至近地球的距离,也是截至 2062 年前雷达测量星体的最佳机会。
9 月 26 日,DART 航天器以每秒 6.1 公里的速度径直撞向了 ” 双胞胎 ”
中更小的迪莫弗斯。它的角色相当于地球旁边的月亮。受到冲撞的迪莫弗斯往前运行了一把。整个过程就像 ” 以卵击石 “。
与现实的物体做类比,DART 航天器与几台自动贩卖机一样重。而它瞄准的 ” 月亮 ” 直径有 160
米,与城市里的高楼大厦相当。科学家预计,其与埃及金字塔一般重。
DART 这次想要证明的,正是用质量较小的飞船高速撞击大目标时,目前的技术是否到位。

这张来自小型 LICIACube 航天器的图像显示了 2022 年 9 月 26 日 DART 任务撞击 Dimorphos
小行星后,从其喷出的喷射物羽流。每个矩形代表不同的对比度,以便更好地看到羽流中的精细结构
NASA 预计,如果这次 ” 自杀式俯冲 ” 顺利,迪莫弗斯将被人类行为推入更近、更短的轨道运行,其围绕主星一圈的周期将被缩短
10 分钟。
不过,航天器的成功 ” 自杀 ” 只是第一步。DART 航天器能否达到预期效果,还需科学家团队进一步检验。NASA
科学家透露,未来将通过意大利航天局专门用来拍摄迪莫弗斯的卫星 CubeSat、哈勃望远镜等,观测 ” 双胞胎
“。最后的成效确认短则需要几周,长则几个月。
威 胁
技术的美好与浪漫止不住人们对此的怀疑。毕竟,比起星辰大海,现实生活中的面包与爱情,才是摆在普通人眼前的需求与忧虑。
NASA 为了这次的任务,花费了 3.24 亿美元(约合人民币 23 亿元),代价十分高昂。
一类代表性的观点认为,这项任务 ” 可以但没必要 “。DART
针对的是在百年内对地球不会有威胁的小行星。再加上这次发射的航天器质量很小,这让外界怀疑其真正的效用。

DART 航天器撞击小行星 Dimorphos 后,哈勃空间望远镜拍摄到喷出的尘埃和碎片羽流图像
小行星撞地球的确每天都在发生。宇宙掉落的尘埃和残片,一直伴随人类繁衍生息。据科学家研究,每天进入地球大气层的星际尘埃有几十吨。尺寸越小的小行星,由于很难被观测,撞击地球的频率越高。
虽然用人的一生来衡量小行星撞地球的概率,如同中彩票一样罕见,但放在人类历史长河中,小行星依然会对人类造成风险。
中科院复杂航天系统电子信息技术重点实验室研究员李明涛曾总结,十米以内直径的小行星撞击地球,每月都会发生,一般会在大气层形成火流星。而直径十米级小行星撞地球,几十年至百年发生一次,一般会在大气层中空爆,产生的冲击波和热辐射可能危及人类安全。
一项发表于《自然》的研究揭示,从 1993 年至 2013 年,约有 60 个直径约 20
米的小行星撞入地球大气层,这比人们预计的高很多。但大部分人之所以忽略这一数字,是因为这些小行星都在海洋或偏远地区的上空爆炸。

截至 2021 年发现的潜在威胁小行星轨迹图
科学界有一个共识:会导致严重后果的,是直径超过 140
米的近地小行星。这些小行星一旦撞击地球,爆发的能量大到足以摧毁一个中小型国家。
2005 年,美国国会曾授权 NASA 寻找 90% 的近地小行星。但该任务由于拨款不足,在 2020
年宣告失败—目前至少约一半的近地小行星还未被人类发现。
但在 2013 年,一起几十年难遇的行星伤害人类事件,引起了科学界以及各国航天局的重视。
2013 年 2 月 15 日,一颗直径约 18
米的小行星在俄罗斯车里雅宾斯克地区上空坠落并发生爆炸,导致当地居民家中的窗户被震碎,约 1200 人受伤。

车里雅宾斯克的小行星撞击事件
据报道,当时它冲击大气层释放的能量相当于 50 万吨 TNT 炸药。
车里雅宾斯克事件发生后,联合国外太空司成立了两个国际组织—国际近地小行星监测预警网(IAWN)和空间任务咨询规划小组(SMPAG)。一旦观测到小行星撞上地球的可能性,它们将会通知各个成员国采取行动。
到了最近两年,世界各国开始加强对近地小行星防御系统的部署,对近地轨道开启航天竞赛。
美国宣布将研究专门针对观测近地天体的望远镜,并希望在 2028 年将其送入太空。2022 年,美国国家科学院、工程院等发布 ”
十年规划 “,” 行星防御任务 ” 被列为美国未来十年的重点项目。
中国也正在加紧部署相关计划。4 月 24 日 ” 中国航空日 ” 当天,中国国家航天局副局长吴艳华透露,中国正着手组建 ”
近地小行星防御系统 “,主要对小行星进行监测,判断危害等级,采取主动手段防御。

紫金山天文台近地天体望远镜观测圆顶
” 我们争取在‘十四五’末期或者 2025 年、2026 年,实施一次对某一颗有威胁的小行星(的轨道改变技术实验)。”
吴艳华说。
行 动
虽然近地小天体开始得到各国航天部门的重视,但关于怎么应对行星撞地球的挑战,目前的方案仍五花八门。
9 月,DART 任务执行前夕,NASA 行星防御官员林德利 · 约翰逊发言称,DART 不是唯一的应对手段,”
我们有三到四个的备选清单,将在未来进行测试 “。

由 LICIACube 拍摄的四张小行星迪莫佛斯被 DART 探测器撞击前后的图像
一个首推的办法是发射重力牵引器,也就是发射一个重型的航天器,令其围绕近地小行星飞行。重型的航天器将轻微地影响小行星的万有引力,如果引力作用时间足够长,将足以改变小行星与地球的碰撞轨道。
约翰逊解释,上述技术需要非常长的时间才能发挥作用,” 所以需要我们留出足够多的预警时间 “。
另一个富有想象力的想法是给小行星涂上颜色,再让太阳来完成剩余的工作。有科学家提出,改变颜色可以影响小行星在日光下的发热程度,以及太阳光的光子从表面反弹所带来的轻微压力。这样下去,绕太阳运转的小行星也可能改变原有轨迹。
终极办法是核爆炸。
这是好莱坞电影里最常见的桥段,也是目前人类产生最大能量的手段。根据能量分析,对于预警时间很短或质量很大的小行星,目前只有爆炸手段可以防御。

电影《不要抬头》剧照
不过,核爆炸有极大不确定性。小行星在结构和组成上都不是简单的物体,人类很难准确预测爆炸后的效果。核爆炸同时会产生大量污染物和废料,对地球生态造成不可挽回的影响。
更重要的是,一旦给该手段开了口子,它会成为一些国家使用、开发核武器的借口。目前,在国际法中,在外太空使用核武器被明确禁止。
目前来看,人类已经掌握的最成熟的技术,也是 NASA 本次 DART 运用的技术,即用动力撞击偏转轨道的方法。
不过,业内的共识是,这一方法的实际效用未得到验证。即使是此次 NASA
如此酷炫地撞击了一次小行星,考虑到小行星的大小和质量,以及危险真正出现时人类可用的时间,谁也不敢说这是一次成功的实验。
北京大学地球与空间科学学院教授焦维新曾介绍,动力撞击技术亟须解决的问题是 ” 深入掌握撞击对小行星轨道的效应
“,对撞击器大小、速度、撞击方向以及如何选择撞击位置,都要进行探索。

这一办法还有一个明显的短板:人类的航天器质量较小,只能应对较小直径的天体。百米级直径的天体很难被攻破。
相比之下,中国科学家提出了更大胆、高效的办法。2020 年,李明涛团队提出了 ” 以石击石 ” 的防御概念。
这一办法十分新颖,用的 ” 工具 ” 甚至直接来自太空。
具体而言,人类先在太空中捕获百吨级重量的岩石,再操控 ” 大块头 ”
的岩石,撞击对地球有威胁的小行星,将其弹开或改变其轨道。

李明涛团队做了一个仿真实验,以提前 10 年防御直径 340 米的阿波菲斯小行星为例,如果利用传统的动能撞击方式,只能把它偏转
176 公里;但是以石击石方式可以把它偏转出 1800 公里,防御效果是传统的 10 倍
用李明涛的说法,这是运用中国功夫 ” 借力打力 “” 四两拨千斤 ”
的思路。相比于动力撞击技术,影响近地小行星的偏转距离可提升一个数量级。
不过,上述概念大多数都未经过验证。因此,无论成功与否,本次 DART
航天器成功撞击迪莫弗斯,已经为全球近地小行星的主动防御打开了局面。

DART 航天器撞击迪莫弗斯的效果模拟图
但在希望面前,人类现阶段还要清醒地意识到:理想与现实仍存在很大差距。
2019
年,第六届全球行星防御大会在美国华盛顿召开。一次各国科学家联合防止行星碰撞地球的模拟演练展开。来自美国、欧空局、俄罗斯、中国和日本的科学家纷纷采取行动,最终将小行星从与地球
” 亲密接触 “,撞为 ” 擦肩而过 “。
但坏消息是,小行星被撞出了一块直径约 50 米的岩石。这块岩石沿着地球方向,朝人类砸来。
任务失败。
这也是自 2013 年以来世界各国联合展开的第四次模拟试验。人类在其中已经失败了三次。
令人伤心的结局提醒着人类,我们离主动防御小行星还差很远。更重要的是,防御小行星的威胁,是一个休戚与共,需要各国齐心协力、携手同行的使命。

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来源: wenxuecity
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