为地球撑起“保护伞”,中国将组建近地小行星防御系统
发布时间:2022-05-10
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日前,我国对外宣布将组建近地小行星防御系统,以应对近地小行星的潜在威胁。近地小行星对地球会产生哪些威胁?如何应对?

撰文/记者 段然(实习) 图文编辑/陈永杰

新媒体编辑/李云凤

采访专家:

赵海斌(中科院紫金山天文台 首席研究员)

焦维新(北京大学地球与空间科学学院教授)

4月24日,国家航天局副局长吴艳华首次向外界披露:我国将着手组建近地小行星防御系统,以应对近地小行星撞击的威胁,为保护地球和人类安全贡献中国力量。我国这一全新的航天项目,立刻引起了学界和航天爱好者的广泛关注。那么近地小行星对人类会产生哪些威胁?人类又该如何应对?

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近地小行星:危险的不速之客

2013年2月15日上午9时15分,俄罗斯西部小城车里雅宾斯克的居民看到天空中出现多个耀眼的发光体,以极快的速度划过天际,并伴随着刺耳的爆炸声。最后这些不明物体拖着火焰撞向地面,并引发了巨大的冲击波,城内大量建筑物的玻璃被震碎,总共有1491人被撞击引发的冲击波所伤。科学家在事后证实,此次事件正是一颗近地小行星的“杰作”。

▲2013年,一颗只有20米左右直径的陨石划过车里雅宾斯克的上空

在我们的太阳系内,除了地球、火星、木星等主要行星外,还活跃着数量庞大的小行星,它们无论体积还是质量都远小于普通行星,却因为其复杂诡异的运行轨迹和小巧的身姿,流窜于不同行星轨道之间,成为太阳系内的“危险分子”。1994年,舒梅克-列维9号彗星撞击木星,给木星表面留下了尺寸比地球还大的伤疤。倘若当初它闯入的是近地轨道,直接撞向地球,那后果将不堪设想。

那么究竟什么才是近地小行星呢?什么样的近地小行星会对地球构成威胁?中科院紫金山天文台的近地天体探测和太阳系天体研究首席研究员赵海斌介绍说:“太阳系里存在两条小天体带,一条位于火星和木星之间的小行星主带,一条位于海王星之外的柯伊伯带。在受到周围行星的引力或其他作用力影响下,小天体带中的目标可能会脱离原有的轨道,有一部分会来到我们地球附近。通常我们把这些小行星称为近地小行星。”

▲柯伊伯带(图片来源:NASA)

近地小行星被定义为能进入距太阳1.3个天文单位范围内(1天文单位起初被定义为地球与太阳的平均距离,后为方便计算被学界固定为约1.5亿公里,简称AU)的小行星。按照其运行轨道的不同,近地小行星可大致分为四类,即阿莫尔型(Amor),比如人类首次发现的小行星“爱神星”就属于这一类型,还有阿波罗型(Apollo)、阿登型(Aten)和阿提拉型(Atira,也称为“地内型”小行星)。“其中我们特别要关注的是阿波罗型和阿登型,这两种类型的轨道与地球的轨道存在交叉,如果两者同时运行到交叉点,那就有可能发生碰撞。”赵海斌对记者说。

当然,并非所有的近地小行星,都有能力对地球构成威胁。赵海斌对记者解释到,在近地小行星之下还存在一个子集,即“对地球构成潜在威胁的小行星”(简称PHA)。简单来说就是直径大于140米,与地球轨道距离小于750万公里的小行星,都可以归入PHA类别。

北京大学地球与空间科学学院教授焦维新指出:“这类小行星直径需要在140米以上,在撞击地球后就会引起区域性灾害,而非仅仅留下几个陨石坑。”造成重大生态灾害的行星撞击,本身发生概率是很低的,但一旦发生,其产生的后果将是整个地球生态乃至人类文明不能承受之重。而直径小于140米级别的小行星在撞击地球时也会产生一定的次生灾害,这类尺寸小行星撞击地球的概率就相对较高。上文提到的2013年车里雅宾斯克撞击事件,其元凶就是直径不足15米的近地小行星,尽管没有对地球地表环境产生重大影响,却也造成了当地一定程度的人员与财产损失。而相似当量的撞击事件在进入21世纪后就发生了十余起,如果这样的碰撞发生在人口密集区域,那造成的潜在伤害将是不可估量的。

此外,太空中那些微小的颗粒或碎片,虽只会在大气层中形成一道美丽的燃烧轨迹,但对于近地轨道的人造航天器,也是潜在的致命杀手。因此面对这些随时可能闯入的不速之客,建立一套完善的近地小行星预警与防御体系,就显得尤为必要。

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观测与监视:从地面到太空广布耳目

面对近地小行星可能对地球产生的威胁,人类必须要有行之有效的防御措施,而这些措施的一大前提就要通过观测来发现并确定这些不速之客的特征、运行轨迹和可能的撞击时间,为持续监测和编目工作提供依据。目前人类探测和监视小行星的工作,主要还是依靠地面大型光学望远镜而开展的。在这一领域,拥有全球顶尖地面探测设备的美国无疑是翘楚,早在1998年,美国国家航空航天局(NASA)就专门成立了“近地天体项目办公室”(Near-Earth Object Program Office),并先后负责一批近地小行星地面观测项目,包括位于亚利桑那大学的卡特林那巡天系统(CSS),下设3台0.5-1.5米口径不等的光学望远镜,迄今为止已经发现了多达13384颗近地小行星,发现规模居全球之冠。位于新墨西哥州的“林肯近地小行星研究小组”(LINEAR),下设3台口径0.5-1米的光学望远镜。位于夏威夷的“全景巡天望远镜和快速回应系统”(也被称为“泛星计划”),现有2台1.8米口径大视场望远镜,以及同样位于夏威夷的小行星撞击末期预警系统(简称ATLAS),拥有2台0.5米口径光学望远镜。此外,NASA的喷射推进实验室也加入近地小行星探测和预警的行动中来,相继开展了“近地小行星追踪”(NEAT)、“哨兵系统”等项目,专门对近地小行星进行搜索,并对其中可能存在威胁的“危险分子”进行编目和风险评估。

▲隶属于卡特林那巡天系统的美国莱蒙山天文台-1(图片来源:亚利桑那大学月球与行星实验室)

当然,单纯依靠地基观测手段是远远不够的,地球大气层和地面背景往往对地面探测产生严重干扰,比如造成车里雅宾斯克撞击事件的小行星,就因为是从太阳方向接近地球,正好处于地面天文台的观测盲区而未被探测到。可见,人类有必要摆脱地面环境的桎梏,直接在太空中布设自己的耳目。

在建设天基观测和预警系统方面,美国依然是执牛耳者,早在2009年就发射了一颗“天基大视场红外巡天探测卫星”(NEOWISE)。事实证明,使用天基设备观测,无论是深度还是广度都远超过地面巡天观测。在任务执行的前两年,NEOWISE就发现了数百颗近地小行星。

▲美国莱蒙山天文台-1(图片来源:亚利桑那大学月球与行星实验室)

赵海斌介绍道:“对于近地小行星而言,目前98%以上的数量都是美国发现的,因为美国的设施比较完备,望远镜也比较多,他们做出了比较大的贡献。”但他同时也指出,其他国家也在纷纷跟进相关工作。特别是在天基观测方面,他国取得的成就同样瞩目,比如加拿大就于2013年发射了“近地目标监视微卫星”(NEWOSSat),专门用于监视近地小行星和空间碎片。而日本则更进一步,在2003年发射了“隼鸟号”探测器,直接在名叫“丝川”的近地小行星上着陆采样,并将样本送回地球—对近地小行星进行如此细致的调查,在人类历史上尚属首次。

▲日本“隼鸟号”探测器(图片来源NASA)

尽管各国都做出了显著的成绩,但时至今日,人类对近地小行星的认识依然存在很大的局限,焦维新说:“虽然人类的科技发展很快,但还是有相当数量的近地小天体并没有被发现。根据理论推断,直径在100米左右的近地小行星,目前人类只发现其总数的20%-30%,大于100米的,人类也只发现了不到一半左右。”

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深空防御:为地球撑起保护伞

目前,面对近地小行星可能的撞击,人类能够采取的还只是被动的防御措施,即依靠建设地面人防工程等方式,将小行星撞击时所产生的危害降至最低。但这样的办法显然无法完全杜绝次生灾害的发生。如果在撞击之前,就对小行星的运行施加影响,让地球免于撞击,不是更好的选择吗?

▲ DART 项目撞击双小行星任务示意图(制图/兰城)

在太空对近地小行星实施主动防御已成为重大课题。目前规划和设想中的方案可以统归为三种:一种是利用动能撞击来改变小行星的运行轨道,这种简单粗暴的方法是最先被提出来的,并且是迄今为止唯一被付诸实践的:目前真正实施的只有美国的“深空撞击计划”和“双小行星改道测试”计划(DART),前者已于2005年成功撞击了一颗彗星的彗核,后者将于今年9月抵达一个双小行星系统,并对其中较小的一颗进行撞击实验。其他两种分别是“利用长期作用力改变小行星轨道”方案(比如利用太空拖船或引力拖车改变其轨道)和“核爆”方案,但这两者都超越了人类现有的航天科技水平,赵海斌介绍道:“目前除了动能撞击方案之外,其他方案尚没有实质性的任务规划。”

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防御小行星撞击:中国在行动

早在上世纪50年代,中国科学院紫金山天文台就开始进行近地小行星的观测活动,开创了国内近地小行星研究的先河。1995年,中科院出资开展了名为“国家天文台施密特CCD小行星巡天计划”(简称SCAP计划)的探测项目,项目以一台施密特望远镜为主要探测设备。在项目开启的5年时间里,SCAP项目共发现了1颗彗星和2460颗小行星,并对已知的43000多颗小行星进行深度观测,其中发现了5颗近地小行星,并从中确认了2颗为具有潜在威胁的小行星。进入21世纪以来,中国科学院紫金山天文台的近地天体望远镜开始运行,这台我国专用的近地天体探测设备,已经发现了30颗新的近地小行星,为我国在国际上列名立下了汗马功劳。

▲紫金山天文台近地天体望远镜观测圆顶(紫金山天文台供图)

但整体而言,在近地小行星探测领域,我国与国际先进水平还存在较大差距。赵海斌向记者介绍道:“我国迄今为止总共发现的近地小行星只有30多颗,而全球总共发现的近地小行星数量有28000颗左右。从发现数量上看,我国占比并不高。”

▲紫金山天文台近地天体望远镜(紫金山天文台供图)

但随着近年来我国航天科技不断取得突破性进展,在近地小行星探索和防御领域,我们的航天人必将做出更大的贡献。未来计划建立的近地小行星监测预警系统和防御系统,将真正刷新我国在这一领域的成就。当然该项目的实际意义是超越国界的,赵海斌认为,防御近地小行星撞击地球,本身就是一个需要站在人类命运共同体的高度去考虑的问题。在谈到这个雄心勃勃的计划时,他对记者说:“如果是比较大的撞击,那就会引起全球或区域性的灾害。中国作为一个航天科研能力快速进步的国家,同时也是一个负责任的大国,需要具备这样的能力,去保卫我们共同的家园。”



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