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小行星呼啸而来,我们如何死里逃生? | 科技评论主题站 | 果壳网 科技有意思

小行星呼啸而来,我们如何死里逃生?

shea2013-02-14 21:30

2月15日,一颗直径45米的小行星将从同步卫星轨道之内与地球擦肩而过。就在100多年前,同样大小的天体曾经夷平了2000平方千米内的8000万颗树木。如果真有一颗流浪的小行星径直冲我们而来,我们能够避免恐龙灭绝那样的灭顶之灾吗?

(文/ Nigel Henbest)好莱坞灾难片的情节其实很容易上演。2012年2月,一位名叫杰米·诺曼(Jaime Nomen)的年轻牙科医生,在沿着西班牙地中海沿岸航行时,通过笔记本电脑从600千米外的一座天文台获得了观测图像。突然,他发现有一光点正在牧夫座中飞速穿行。诺曼知道它到底是什么。

他立刻知会了位于美国马萨诸塞州剑桥市的MPC小行星中心(Minor Planet Center),那里负责收集有关小行星和彗星信息。世界各地的望远镜迅速采取行动,测量这颗新小行星的轨道。结果令人惊讶:小行星2012 DA14差一点就会撞上地球。

2013年2月15日,这块游荡的石头将从我们头上仅25,000千米的高度上擦过地球,与今年年初广为宣传的毁神星(Apophis)飞掠地球相比,距离仅有后者的1/500,甚至比毁神星在2029年再次超级惊险地飞掠地球时还要近。届时,2012 DA14将从地球同步通信卫星的轨道内侧穿过,但距离国际空间站和哈勃空间望远镜的轨道还有很远,足够安全。

美国航空航天局(NASA)近地天体办公室主任唐·约曼斯(Don Yeomans)说:“我已经不会轻易再对飞来的近地小行星感到惊讶了,但这一次却会创下如此大小的已知小行星靠近地球的最近距离纪录。”


2月15日,小行星2012 DA14将从近地轨道内侧与地球擦肩而过。图片来源:《新科学家》

通过短暂的观测,天文学家估计2012 DA14直径约为45米,与1908年在西伯利亚无人居住的通古斯地区上空爆炸的天体大小相当——那场爆炸夷平了方圆2000平方千米内的8000万棵树木。尽管2012 DA14不会撞击地球,但这次“亲密接触”提出了许多重要的问题。我们真的能够事先发现下一颗撞向地球的杀手小行星吗?如果可以,我们又能够如何去应对?

重要力量

2012 DA14的发现其实让人大跌眼镜,因为这是由业余天文学家作出的,他们的天文台位于西班牙格拉纳达附近萨格拉的黑暗群山中,由3台配备了标准摄像头的小望远镜构成。像诺曼的团队这样有热情、懂技术的天文爱好者队伍,对于发现小行星而言是至关重要的。诺曼的团队每年发现大约15颗近地天体(NEO),与更大的团队作出的发现相比,数量虽少却至关重要。

“就算是大型巡天项目也无法在所有时段覆盖整个天空,而目前的业余级天文设备已经可以跟15到20年前最好的专业设备相媲美了,”卡特琳娜巡天项目(Catalina Sky Survey)主管史蒂夫·拉尔森(Steve Larson)解释说。作为世界上最“高产”的小行星猎手,拉尔森的团队利用位于美国亚利桑那州的两台望远镜和澳大利亚赛丁泉的一台望远镜,已经发现了超过4200颗近地天体。他说:“我们非常赞赏诺曼团队的努力。”

卡特琳娜巡天作出的一项发现,彰显了小行星搜寻的价值所在。2008年,它发出了有史以来的第一份小行星撞击预报,一块卡车大小的太空巨石即将撞击地球。这颗小行星名叫2008 TC3,预计会在一天之内撞击苏丹北部。天文学家向美国五角大楼甚至白宫都发出了预警。就在预定撞击的时刻,一名航班飞行员在苏丹上空看到了火球,这是小行星闯入地球大气时发生的爆炸,当量相当于1000吨TNT。几个月后,科学家找到了一批散落在沙漠里的新鲜陨石——相当于完成了一次近地天体的“采样返回任务”。拉尔森说:“2008 TC3是我们作出的最令人兴奋的发现。”

然而,天空中仍有一片区域无法被很好地监测。对于地处北半球的望远镜来说,南极上方的那片天空永远不会升起到地平线之上,因此就算是口径已经升级到前任望远镜2倍的全景巡天望远镜及快速反应系统(Pan-STARRS),对此也无能为力,因为它坐落在夏威夷毛伊岛哈雷阿卡拉山之巅。澳大利亚库纳巴拉布兰附近的赛丁泉望远镜,是能够发现从最南侧天空飞来的危险小行星的唯一专业工具——但卡特琳娜项目在2012年年中削减了它的经费。只有一位天文学家罗伯·麦克诺特(Rob McNaught)仍在那里职守。2012年9月,当麦克诺特前往英国访问时,赛丁泉巡天关闭了整整一个月,在我们的监测能力中留下了一个彻彻底底的盲点。

巡天项目中的这一漏洞,将在未来几年内得到弥补——大型综合巡天望远镜(LSST)将在智利的帕琼山上建成。直径8.3米的这台望远镜,拥有世界上最大的镜面之一,与目前最先进的Pan-STARRS相比,它能发现个头更小的小行星。作为独树一帜的大型巡天望远镜,LSST将扫描天空,识别出最暗弱的天体,不论它是在太阳系内,还是在遥远的宇宙边缘。

“与现有的巡天项目相比,LSST能把未知小行星意外撞击地球的风险降低到目前水平的1/10到1/100,”LSST主管托尼·泰森(Tony Tyson)预期。他的团队已经铸造好了巨大的玻璃镜面,并压平了山顶为后续的基建做好了准备。这台望远镜预计将于2019年进行首次观测,随后展开历时10年的近地天体巡天。约曼斯说:“一旦LSST开始工作,它将成为这一领域的大鳄,主导地面上的近地天体巡天发现。”

这确实是好事一桩,但是在太空搜寻小行星会更好。地球上的望远镜只能在夜间寻找小行星,它们的巡天范围被限制在了远离太阳的区域,因而看不到任何从地球轨道内侧飞来的危险小行星。更重要的是,在可见光波段因为太暗而无法看见的小个头小行星,在红外波段中却会在寒冷、黑暗的太空背景中发出明亮的光芒——但是地球大气层会阻挡绝大部分红外线。这正是一家私人机构计划建造并发射一架名为“哨兵”(Sentinel)的空间望远镜去搜寻小行星的原因所在。


小行星撞地球似乎是好莱坞大片中的情景,但这样的威胁却并非虚构。图片来源:foxnews.com

小却危险

“哨兵”将以斯皮策望远镜(Spitzer telescope)和开普勒望远镜(Kepler telescope)为模板,前者可以看成是红外波段的哈勃空间望远镜,后者正在搜寻围绕其他恒星旋转的外星行星。如果能够筹集到资金,“哨兵”会在2018年前后发射,将在金星附近绕太阳公转。“在搜寻更小但是仍然危险的小行星方面,它的效率将会高出许多,”航天飞机及国际空间站任务资深专家、退役宇航员卢杰(Ed Lu)说。

他和阿波罗9号宇航员拉塞尔·施威卡特(Rusty Schweickart)及美国普林斯顿高等研究所的皮埃特·哈特(Piet Hut,正是他最先提出了宇宙撞击会导致地球上生物大灭绝这一观点)共同成立了B612基金会。他们的目的是通过私人捐款筹措“哨兵”所需的4亿美元资金——这一成本远远低于NASA的开普勒任务。

B612基金会相信能够将成本控制下来,不仅是因为红外系统和计算机正变得越来越便宜,更是因为“哨兵”将使用由私人公司SpaceX制造的火箭来发射。

如果B612可以保证资金充足(这是一个巨大的未知数),“哨兵”将成为发现近地天体的最佳途径,而且对于它所发现的天体,“哨兵”还能更准确地估算它们的大小。对于小行星而言,大小决定了一切。直径约为10千米的小行星曾经导致恐龙从地球上灭绝;任何大小超过1千米的小行星都会导致一场全球性灾难。

幸运的是,利益于近地天体猎手们到目前为止的出色工作,在这条“前线”上也有好消息传来。“最大的近地小行星中约有94%已经被我们发现,”约曼斯说,“它们中没有一颗会在未来100年内对我们构成威胁。”

因此,目前的重点是那些能够摧毁撞击地点整片区域的天体。这些具有潜在威胁的小行星(PHA)直径都大于140米。拉尔森说,目前只发现了1350颗具有潜在威胁的小行星,而总数估计有30000颗。LSST在智利的巡天将把目前这一可怜的发现率提高到75%。

至于更小的通古斯级别的天体,我们明确知道轨道的大约只占总数的1%。如果成功的话,“哨兵”将发现它们中的半数以上,并在撞击发生前好几年,甚至好几十年,就能够发出预警。这样的话,我们又该如何来保护自己呢?

一切都取决于我们有多少预警时间。拉尔森说:“预警时间越长,避免小行星撞击地球所需的方式就越柔和。”

卢杰说,最好的办法是采用一系列的偏转机动:先来一次大规模的撞击,再用小推力来微调小行星的轨迹。这样的“动能撞击”已有先例可循。2005年,NASA的“深度撞击”任务就曾用一大块铜重击过坦普尔1号彗星(Tempel 1),不过它的目的只是为了弄清楚彗星的物质构成。

欧洲航天局正在筹划一个类似的项目,打算前往65803号小行星Didymos,这是一对近地小行星中个头较大的那颗。这个项目名为“小行星撞击和偏转评估”(AIDA),预计2020年前后发射升空,将携带一枚撞击器撞击那颗直径800米的小行星,第二艘飞船将观察撞击的结果。

“撞击应该会对小行星的轨道周期产生可以察觉的影响,不论是从地面上观测,还是在太空中观测,”AIDA项目规划者安德烈斯·贾尔维兹(Andrés Gálvez)说,“万一我们在相对较短的预警时间内必须采用动能撞击这种方式,当然我不希望这种情况真的出现,这个项目会给我们提供一些保证。”

对于次级偏转,卢杰推荐使用引力牵引机(gravity tractor)。用他的话来说,这种飞船用现有的技术就可以建造。在这种情形下,飞船必须非常靠近小行星,让它们能够感受到彼此的引力。飞船上的火箭轻轻地将它推离这颗小行星;相互之间的引力束缚则会牵引着小行星移出构成威胁的轨道,就像被绳子牵住脖子的狗一样。不论这颗小行星自转速度有多块,也无论它由什么物质构成,这个方法应该都能奏效。


引力牵引机能够通过相互之间的引力,缓慢地牵引小行星移出有可能威胁地球的轨道。图片来源:《新科学家》

一些更富有想象力的想法也已经被提了出来,例如:在小行星上安装一枚火箭;使用“质量引擎”通过抛射物质来推动小行星改变轨道;将阳光聚焦在小行星表面蒸发部分岩石来迫使它偏移;甚至使用“彩弹”将小行星刷成白色,以便让来自太阳光的压力逐渐将这颗小行星推出构成威胁的轨道。“所有这些想法目前还都停留在科幻小说的范畴之内,”卢杰总结说。

如果我们将要面对的刚巧不是一场全球性灾难,而是一场通古斯那样的空中爆炸,那么就连偏转小行星或许都没有必要。“一颗40米大小的天体必须要能够飞经人口稠密地区上空,才会引起足够的担心,”约曼斯说,“决策者将不得不做出决定,到底是偏转它(如果还有时间的话),还是让它撞(极有可能撞进海里或者无人区而造不成伤亡),以及是否要疏散受到威胁的地区。”此时,应对小行星撞击就会变得更像是我们非常熟悉的减灾领域,就像是如何应对飓风、地震或者火山喷发的预警。

核爆小行星

我们会不会仍有可能被某个大家伙,比如从太阳系外围秘而不宣飞快闯入的一颗彗星,打个措手不及呢?联合国的一个小组委员会正致力于商讨一个国际化应对的行动方案。讽刺的是,它的下一次会议将在小行星2012 DA14“嗖嗖地”从我们头顶上飞过时举行。

与此同时,NASA还为全球性威胁准备好了应急计划,类似于布鲁斯·威利斯(Bruce Willis)的那部电影:用核武器把有可能灭绝人类的小行星炸掉。美国爱荷华州立大学的魏邦(Bong Wie,音译)说:“对于这种最后关头的应急任务,没有10到20年的预警时间,使用核爆炸装置摧毁小行星是唯一技术上和经济上都可行的方案。”魏邦的小行星偏转研究中心正在为NASA设计一枚能将危险的小行星或彗星摧毁的核导弹。


在1998年的电影《世界末日》中,布鲁斯·威利饰演的主角登上一颗撞向地球的小行星,用核弹将它炸毁。图片来源:IMDb.com

人们总有一种担心,认为这样的爆炸产生的碎片造成的破坏,可能跟原来的天体一样大。但魏邦说,爆炸会瓦解和粉碎小行星,“如果我们有至少几个月的预警时间,爆炸产生的残骸云就会远远超过地球的大小。”他的计算表示,只有不到0.1%的碎片最终会撞上地球。

为了炸毁小行星,核装备必须在内部爆炸,而不能在表面引爆。因此魏邦设计的飞船将分成两个部分:前半部分先在小行星上炸出一个撞击坑,后半部分再在撞击坑深处引爆核弹。他正计划一项测试任务,他称之为“深度撞击2号”,打算让一艘飞船撞击一颗较小的小行星,只是不进行核爆。

联合国外太空条约禁止任何国家在太空部署核武器。但如果真的需要的话,魏邦认为他的方案不会遇到任何真正的反对意见。“如果我们在很短的预警时间内真要面对一场小行星撞击,”他预言,“我不认为这会成为一个法律问题!”

 

编译自: 《新科学家》 Close call coming: Averting the asteroid threat

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