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  • 為地球撐起“保護傘”,中國將組建近地小行星防御系統
    發布時間:2022-05-10
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    日前,我國對外宣布將組建近地小行星防御系統,以應對近地小行星的潛在威脅。近地小行星對地球會產生哪些威脅?如何應對?

    撰文/記者 段然(實習) 圖文編輯/陳永杰

    新媒體編輯/李云鳳

    采訪專家:

    趙海斌(中科院紫金山天文臺 首席研究員)

    焦維新(北京大學地球與空間科學學院教授)

    4月24日,國家航天局副局長吳艷華首次向外界披露:我國將著手組建近地小行星防御系統,以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。我國這一全新的航天項目,立刻引起了學界和航天愛好者的廣泛關注。那么近地小行星對人類會產生哪些威脅?人類又該如何應對?

    ◆ ◆ ◆

    近地小行星:危險的不速之客

    2013年2月15日上午9時15分,俄羅斯西部小城車里雅賓斯克的居民看到天空中出現多個耀眼的發光體,以極快的速度劃過天際,并伴隨著刺耳的爆炸聲。最后這些不明物體拖著火焰撞向地面,并引發了巨大的沖擊波,城內大量建筑物的玻璃被震碎,總共有1491人被撞擊引發的沖擊波所傷??茖W家在事后證實,此次事件正是一顆近地小行星的“杰作”。

    ▲2013年,一顆只有20米左右直徑的隕石劃過車里雅賓斯克的上空

    在我們的太陽系內,除了地球、火星、木星等主要行星外,還活躍著數量龐大的小行星,它們無論體積還是質量都遠小于普通行星,卻因為其復雜詭異的運行軌跡和小巧的身姿,流竄于不同行星軌道之間,成為太陽系內的“危險分子”。1994年,舒梅克-列維9號彗星撞擊木星,給木星表面留下了尺寸比地球還大的傷疤。倘若當初它闖入的是近地軌道,直接撞向地球,那后果將不堪設想。

    那么究竟什么才是近地小行星呢?什么樣的近地小行星會對地球構成威脅?中科院紫金山天文臺的近地天體探測和太陽系天體研究首席研究員趙海斌介紹說:“太陽系里存在兩條小天體帶,一條位于火星和木星之間的小行星主帶,一條位于海王星之外的柯伊伯帶。在受到周圍行星的引力或其他作用力影響下,小天體帶中的目標可能會脫離原有的軌道,有一部分會來到我們地球附近。通常我們把這些小行星稱為近地小行星?!?/p>

    ▲柯伊伯帶(圖片來源:NASA)

    近地小行星被定義為能進入距太陽1.3個天文單位范圍內(1天文單位起初被定義為地球與太陽的平均距離,后為方便計算被學界固定為約1.5億公里,簡稱AU)的小行星。按照其運行軌道的不同,近地小行星可大致分為四類,即阿莫爾型(Amor),比如人類首次發現的小行星“愛神星”就屬于這一類型,還有阿波羅型(Apollo)、阿登型(Aten)和阿提拉型(Atira,也稱為“地內型”小行星)?!捌渲形覀兲貏e要關注的是阿波羅型和阿登型,這兩種類型的軌道與地球的軌道存在交叉,如果兩者同時運行到交叉點,那就有可能發生碰撞?!壁w海斌對記者說。

    當然,并非所有的近地小行星,都有能力對地球構成威脅。趙海斌對記者解釋到,在近地小行星之下還存在一個子集,即“對地球構成潛在威脅的小行星”(簡稱PHA)。簡單來說就是直徑大于140米,與地球軌道距離小于750萬公里的小行星,都可以歸入PHA類別。

    北京大學地球與空間科學學院教授焦維新指出:“這類小行星直徑需要在140米以上,在撞擊地球后就會引起區域性災害,而非僅僅留下幾個隕石坑?!痹斐芍卮笊鷳B災害的行星撞擊,本身發生概率是很低的,但一旦發生,其產生的后果將是整個地球生態乃至人類文明不能承受之重。而直徑小于140米級別的小行星在撞擊地球時也會產生一定的次生災害,這類尺寸小行星撞擊地球的概率就相對較高。上文提到的2013年車里雅賓斯克撞擊事件,其元兇就是直徑不足15米的近地小行星,盡管沒有對地球地表環境產生重大影響,卻也造成了當地一定程度的人員與財產損失。而相似當量的撞擊事件在進入21世紀后就發生了十余起,如果這樣的碰撞發生在人口密集區域,那造成的潛在傷害將是不可估量的。

    此外,太空中那些微小的顆?;蛩槠?,雖只會在大氣層中形成一道美麗的燃燒軌跡,但對于近地軌道的人造航天器,也是潛在的致命殺手。因此面對這些隨時可能闖入的不速之客,建立一套完善的近地小行星預警與防御體系,就顯得尤為必要。

    ◆ ◆ ◆

    觀測與監視:從地面到太空廣布耳目

    面對近地小行星可能對地球產生的威脅,人類必須要有行之有效的防御措施,而這些措施的一大前提就要通過觀測來發現并確定這些不速之客的特征、運行軌跡和可能的撞擊時間,為持續監測和編目工作提供依據。目前人類探測和監視小行星的工作,主要還是依靠地面大型光學望遠鏡而開展的。在這一領域,擁有全球頂尖地面探測設備的美國無疑是翹楚,早在1998年,美國國家航空航天局(NASA)就專門成立了“近地天體項目辦公室”(Near-Earth Object Program Office),并先后負責一批近地小行星地面觀測項目,包括位于亞利桑那大學的卡特林那巡天系統(CSS),下設3臺0.5-1.5米口徑不等的光學望遠鏡,迄今為止已經發現了多達13384顆近地小行星,發現規模居全球之冠。位于新墨西哥州的“林肯近地小行星研究小組”(LINEAR),下設3臺口徑0.5-1米的光學望遠鏡。位于夏威夷的“全景巡天望遠鏡和快速回應系統”(也被稱為“泛星計劃”),現有2臺1.8米口徑大視場望遠鏡,以及同樣位于夏威夷的小行星撞擊末期預警系統(簡稱ATLAS),擁有2臺0.5米口徑光學望遠鏡。此外,NASA的噴射推進實驗室也加入近地小行星探測和預警的行動中來,相繼開展了“近地小行星追蹤”(NEAT)、“哨兵系統”等項目,專門對近地小行星進行搜索,并對其中可能存在威脅的“危險分子”進行編目和風險評估。

    ▲隸屬于卡特林那巡天系統的美國萊蒙山天文臺-1(圖片來源:亞利桑那大學月球與行星實驗室)

    當然,單純依靠地基觀測手段是遠遠不夠的,地球大氣層和地面背景往往對地面探測產生嚴重干擾,比如造成車里雅賓斯克撞擊事件的小行星,就因為是從太陽方向接近地球,正好處于地面天文臺的觀測盲區而未被探測到??梢?,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。

    在建設天基觀測和預警系統方面,美國依然是執牛耳者,早在2009年就發射了一顆“天基大視場紅外巡天探測衛星”(NEOWISE)。事實證明,使用天基設備觀測,無論是深度還是廣度都遠超過地面巡天觀測。在任務執行的前兩年,NEOWISE就發現了數百顆近地小行星。

    ▲美國萊蒙山天文臺-1(圖片來源:亞利桑那大學月球與行星實驗室)

    趙海斌介紹道:“對于近地小行星而言,目前98%以上的數量都是美國發現的,因為美國的設施比較完備,望遠鏡也比較多,他們做出了比較大的貢獻?!钡瑫r也指出,其他國家也在紛紛跟進相關工作。特別是在天基觀測方面,他國取得的成就同樣矚目,比如加拿大就于2013年發射了“近地目標監視微衛星”(NEWOSSat),專門用于監視近地小行星和空間碎片。而日本則更進一步,在2003年發射了“隼鳥號”探測器,直接在名叫“絲川”的近地小行星上著陸采樣,并將樣本送回地球—對近地小行星進行如此細致的調查,在人類歷史上尚屬首次。

    ▲日本“隼鳥號”探測器(圖片來源NASA)

    盡管各國都做出了顯著的成績,但時至今日,人類對近地小行星的認識依然存在很大的局限,焦維新說:“雖然人類的科技發展很快,但還是有相當數量的近地小天體并沒有被發現。根據理論推斷,直徑在100米左右的近地小行星,目前人類只發現其總數的20%-30%,大于100米的,人類也只發現了不到一半左右?!?/p>

    ◆ ◆ ◆

    深空防御:為地球撐起保護傘

    目前,面對近地小行星可能的撞擊,人類能夠采取的還只是被動的防御措施,即依靠建設地面人防工程等方式,將小行星撞擊時所產生的危害降至最低。但這樣的辦法顯然無法完全杜絕次生災害的發生。如果在撞擊之前,就對小行星的運行施加影響,讓地球免于撞擊,不是更好的選擇嗎?

    ▲ DART 項目撞擊雙小行星任務示意圖(制圖/蘭城)

    在太空對近地小行星實施主動防御已成為重大課題。目前規劃和設想中的方案可以統歸為三種:一種是利用動能撞擊來改變小行星的運行軌道,這種簡單粗暴的方法是最先被提出來的,并且是迄今為止唯一被付諸實踐的:目前真正實施的只有美國的“深空撞擊計劃”和“雙小行星改道測試”計劃(DART),前者已于2005年成功撞擊了一顆彗星的彗核,后者將于今年9月抵達一個雙小行星系統,并對其中較小的一顆進行撞擊實驗。其他兩種分別是“利用長期作用力改變小行星軌道”方案(比如利用太空拖船或引力拖車改變其軌道)和“核爆”方案,但這兩者都超越了人類現有的航天科技水平,趙海斌介紹道:“目前除了動能撞擊方案之外,其他方案尚沒有實質性的任務規劃?!?/p>

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    防御小行星撞擊:中國在行動

    早在上世紀50年代,中國科學院紫金山天文臺就開始進行近地小行星的觀測活動,開創了國內近地小行星研究的先河。1995年,中科院出資開展了名為“國家天文臺施密特CCD小行星巡天計劃”(簡稱SCAP計劃)的探測項目,項目以一臺施密特望遠鏡為主要探測設備。在項目開啟的5年時間里,SCAP項目共發現了1顆彗星和2460顆小行星,并對已知的43000多顆小行星進行深度觀測,其中發現了5顆近地小行星,并從中確認了2顆為具有潛在威脅的小行星。進入21世紀以來,中國科學院紫金山天文臺的近地天體望遠鏡開始運行,這臺我國專用的近地天體探測設備,已經發現了30顆新的近地小行星,為我國在國際上列名立下了汗馬功勞。

    ▲紫金山天文臺近地天體望遠鏡觀測圓頂(紫金山天文臺供圖)

    但整體而言,在近地小行星探測領域,我國與國際先進水平還存在較大差距。趙海斌向記者介紹道:“我國迄今為止總共發現的近地小行星只有30多顆,而全球總共發現的近地小行星數量有28000顆左右。從發現數量上看,我國占比并不高?!?/p>

    ▲紫金山天文臺近地天體望遠鏡(紫金山天文臺供圖)

    但隨著近年來我國航天科技不斷取得突破性進展,在近地小行星探索和防御領域,我們的航天人必將做出更大的貢獻。未來計劃建立的近地小行星監測預警系統和防御系統,將真正刷新我國在這一領域的成就。當然該項目的實際意義是超越國界的,趙海斌認為,防御近地小行星撞擊地球,本身就是一個需要站在人類命運共同體的高度去考慮的問題。在談到這個雄心勃勃的計劃時,他對記者說:“如果是比較大的撞擊,那就會引起全球或區域性的災害。中國作為一個航天科研能力快速進步的國家,同時也是一個負責任的大國,需要具備這樣的能力,去保衛我們共同的家園?!?/p>



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