□ 鄒小端

開啟地球保衛(wèi)戰(zhàn)
——PSI行星科學(xué)研究所博士后研究員鄒小端談如何防御小行星

□ 鄒小端

火流星和小行星有什么關(guān)系，小行星對地球會產(chǎn)生多大的威脅，我們?nèi)绾螌π⌒行潜O(jiān)測和防御，本刊特邀PSI行星科學(xué)研究所博士后研究員鄒小端為大家解答這些問題。

▲ 漫畫作者 Dave Coverly，來自漫畫“Speed Bump（減速帶）”。文字內(nèi)容：“我承認(rèn)，這一發(fā)現(xiàn)確實像是印證了恐龍滅絕的小行星撞擊說?！?/p>

問：2017年10月4日中秋之夜，在我國云南，很多賞月的人共同目睹了伴隨巨大爆炸聲的火流星事件，那么什么是火流星，火流星又是怎么形成的？

答：火流星通常是米級直徑的來自小行星、彗星或星際空間的碎片闖入地球大氣被加熱融化發(fā)生爆炸產(chǎn)生的。我國云南看到的那顆火流星據(jù)報告稱爆炸高度為37公里，釋放的能量相當(dāng)于540噸 TNT 炸藥，算是尺寸很小的，威脅也有限，通常沒有預(yù)警。

▲ 1988～2017年火流星發(fā)生概況（紅色大圓點為車?yán)镅刨e斯克事件）

問：那么什么樣的火流星會對地球產(chǎn)生較大的威脅，目前有什么監(jiān)測辦法嗎？

答：對于火流星的監(jiān)測，目前除了數(shù)個遍布全球的專業(yè)和業(yè)余天文觀測者架設(shè)的流星監(jiān)測網(wǎng)之外，還有美國用于導(dǎo)彈預(yù)警的偵察衛(wèi)星，以及國際全面禁止核試驗條約組織用來監(jiān)控全球核試驗的次聲波監(jiān)測網(wǎng)，都在發(fā)揮作用。下圖是來自NASA JPL（噴氣動力實驗室）網(wǎng)站的火流星全球記錄，它記錄1988年到現(xiàn)在的火流星全球分布和強(qiáng)度，圖中不難看出過去的不到30年間，地球不斷被各種大小的小行星沖擊的情況。

其中對地球威脅較大的主要是近地小行星和彗星。近地小行星是指離太陽的最近距離小于1.3天文單位的小行星。我們把近地小行星中那些直徑大于150米，運行軌道與地球平均軌道的最小距離小于0.05天文單位的稱為潛在危險小行星（The Potentially Hazardous Asteroids(PHAs)）。截至2017年11月5日，已發(fā)現(xiàn)小天體共計739476個，其中近地小行星17114顆，潛在危險小行星超過1800顆，這些數(shù)據(jù)每天都在更新，并且是完全公開的，可以在國際天文聯(lián)合會小天體中心的網(wǎng)站查詢。

[小知識]：國際天文聯(lián)合會（IAU）的小天體中心The Minor Planet Center(MPC)是唯一一個接收和發(fā)布所有小天體位置測量數(shù)據(jù)的站點。MPC負(fù)責(zé)所有這些小天體的識別認(rèn)定和軌道計算，記錄每個天體目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)者，并向全世界發(fā)布小天體新發(fā)現(xiàn)。

網(wǎng)址是：www.minorplanetcenter.net

▲ 位于美國亞利桑那州的巴林杰撞擊坑，直徑1200米，深約170米，把埃及大金字塔和獅身人面像作為參考來體現(xiàn)這個撞擊坑的壯觀程度

問：如果一顆體積足夠大的小行星撞上地球，會發(fā)生什么？

答：其實地球每天都在受到大量來自地外空間物體的打擊，而我們遭受較大體積小天體沖撞的可能性也比大眾通常認(rèn)為的要高。大約5萬年前一顆小行星撞擊在美國亞利桑那北部的沙漠里，留下來著名的巴林杰撞擊坑。1908年發(fā)生在俄羅斯西伯利亞上空的通古斯大爆炸事件威力相當(dāng)于兩千萬噸TNT炸藥，造成超過2150平方公里內(nèi)的8萬顆樹的焚毀。2013年2月，一顆直徑約17米的小天體墜入地球大氣，下降成一顆超級火球，在俄羅斯車?yán)飦嗁e斯克州上空爆炸，這一隕石事件造成約上千人受傷，數(shù)千建筑物損毀。無數(shù)的火流星事件，以及地球表面保留下來的巨大隕石坑遺跡，都成為小行星對人類威脅的證據(jù)。真正對地球生物具有致命威脅的小天體，需要一套提前發(fā)現(xiàn)、跟蹤、預(yù)警，并協(xié)同全球力量采取對抗措施的系統(tǒng)來應(yīng)對。

問：目前國際上有哪些主要的行星防御機(jī)構(gòu)？

答：雖然歐空局和中國都已經(jīng)開始加入到行星防御的陣營中，但是目前在全球扮演主要行星防御角色的還是NASA。NASA行星防御協(xié)調(diào)辦公室（Planetary Defence Coordination Office, PDCO），在NASA位于華盛頓特區(qū)的總部大樓。目前由林德利·約翰遜領(lǐng)導(dǎo)，該部門主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)與行星防御相關(guān)的NASA各機(jī)構(gòu)和政府其他部門活動，以及國際合作項目等，從而制定小行星撞擊的災(zāi)難預(yù)案。該部門將協(xié)調(diào)全球的觀測和研究資源，發(fā)現(xiàn)所有對地球有劇烈撞擊威脅的自然天體，評估潛在的撞擊威脅，制定最小化小行星撞擊對人類影響的應(yīng)對策略。

問：您能幫我們簡單介紹一下行星防御協(xié)調(diào)辦公室的主要工作嗎？

答：首先最重要的是發(fā)現(xiàn)尺寸大于30～50米的預(yù)報軌道在距離地球0.05AU范圍內(nèi)的小天體，跟蹤并確認(rèn)這些PHA的分類，發(fā)出潛在威脅的預(yù)警，提供及時的準(zhǔn)確的關(guān)于潛在危險小行星的信息通訊，然后領(lǐng)導(dǎo)政府機(jī)構(gòu)制定針對實際威脅的應(yīng)對方案。PDCO主要依賴NASA近地小行星觀測計劃所支持的項目數(shù)據(jù)，同時協(xié)調(diào)自然科學(xué)基金支持的地基望遠(yuǎn)鏡項目和美國空軍空情偵查設(shè)施的觀測結(jié)果。除了發(fā)現(xiàn)、跟蹤和鑒別潛在危險小行星，NASA行星防御的目標(biāo)還包括開發(fā)偏轉(zhuǎn)或重定向指向地球的小行星軌道，在無法偏轉(zhuǎn)或重定向威脅目標(biāo)的情況下，PDCO負(fù)責(zé)向聯(lián)邦應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)提供專業(yè)的信息輸入，以便對目標(biāo)天體采取應(yīng)急的軍事行動。如果一個潛在危險小行星在未來的100年內(nèi)有超過1%的可能性撞擊地球，PDCO會通過NASA局長向總統(tǒng)辦公室、國會和其他政府機(jī)構(gòu)發(fā)送報告。

問：除了發(fā)現(xiàn)、跟蹤、鑒別和預(yù)警潛在危脅小行星外，行星防御協(xié)調(diào)辦公室還做了哪些工作來幫助我們共同防御小行星？

答：PDCO除了和美國政府機(jī)構(gòu)合作，還與其他國家和國際機(jī)構(gòu)，以及全世界專業(yè)天文學(xué)家和業(yè)余天文愛好者合作。例如針對潛在威脅的近地小行星，PDCO會負(fù)責(zé)促進(jìn)科學(xué)界與公眾之間的溝通，調(diào)整公眾對小行星威脅的認(rèn)識，只有大家對小天體撞擊事件有一個正確的認(rèn)識，才能在威脅到來的時候，及時統(tǒng)籌應(yīng)急方案，集合全球的力量配合指定策略，同時，也避免公眾產(chǎn)生不必要的恐慌。PDCO還與外層空間事務(wù)管理局合作，與其和平利用外層空間委員會和近地天體行動小組（又稱，第十四行動小組）通力合作，PDCO同時還是國際小行星預(yù)警網(wǎng)絡(luò)和空間飛行任務(wù)規(guī)劃咨詢組的領(lǐng)頭成員，這些都是聯(lián)合國支持的由全球具備空間應(yīng)對能力的國家聯(lián)合組建的機(jī)構(gòu)。PDCO還通過諸如NASA小天體評估組織（SBAG）等渠道與科學(xué)界進(jìn)行交流。

問：目前發(fā)現(xiàn)小行星的能力到了什么程度？

答：目前超過140米直徑的小天體被認(rèn)為是最危險的群體。這個尺寸分界線由NASA近地天體科學(xué)小組在2003年建立，理由是在此尺寸以下的天體只會造成區(qū)域效應(yīng)，而較大的天體，300米可造成亞全球影響，而1公里可造成全球影響。由于目前技術(shù)手段的局限性，140米以上直徑的近地小天體，仍有74%尚未被發(fā)現(xiàn)。美國國會為NASA提出的要求是在2020年之前，發(fā)現(xiàn)90%以上的直徑超過140米的小行星，這將對空間防御起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)然，實際上為了達(dá)到最大程度的防御能力，我們需要探測到所有直徑超過30米的小行星，因為這些尺寸具有高度的破壞性，這就需要下一代空間望遠(yuǎn)鏡的超強(qiáng)巡天能力了。

問：有任何已知的對地球構(gòu)成威脅的小行星嗎？

答：根據(jù)目前的數(shù)據(jù)，在接下來100年內(nèi)沒有撞擊可能性超過1%的小行星。已知最大影響風(fēng)險的是小行星2009 FD，它將在2185年有714分之一的機(jī)會撞擊地球。但是，并不代表我們是絕對安全的，隨著觀測能力的提升和小行星數(shù)據(jù)庫的不斷更新，潛在危險小行星數(shù)據(jù)庫也會隨之更新。

問：我們?nèi)绾畏乐剐⌒行亲驳厍颍?/p>

答：第一，提高觀測能力，全天候的巡天檢測，保障小天體不會漏網(wǎng)。

第二，提高預(yù)報軌道的精度，例如通過類似OSIRIS-REx這樣的空間探測任務(wù)去監(jiān)測小行星的軌道細(xì)微變化，從而提高軌道模型的精度，從而盡早地精確地計算小行星是否會撞擊地球，并預(yù)報撞擊的位置和時間。

第三，研發(fā)空間防御小行星的技術(shù)，例如：

▲小行星的空間分布（綠色是近期不會接近地球的小行星，紅色是近地小行星）

▲ 根據(jù)預(yù)警時間和小行星直徑的策略選擇

災(zāi)害防護(hù)和恢復(fù)措施，就像對待海嘯地震一樣，預(yù)警，保護(hù)，災(zāi)后救援；

重力牽引技術(shù)，通過重力牽引改變小行星的軌道；

氣化小天體揮發(fā)物，減小其質(zhì)量，并改變其軌道；

動能撞擊技術(shù)，通過撞擊使小行星減速從而改變其軌道（NASA的DART 任務(wù)正是在試驗這項技術(shù)）；

核武器打擊，包括遠(yuǎn)程擊碎和小型表面核爆炸改變軌道；

推進(jìn)器附著技術(shù)，著陸小行星，通過飛行棋施加的小推力，使其變軌。

問：可以直接從地面擊落小行星嗎？

答：在撞擊前數(shù)分鐘或者數(shù)小時擊落一顆小行星是不可行的，因為在平均每秒20公里的速度下，沒有任何現(xiàn)有武器能粉碎一個上百米直徑的小行星而避免對地面造成傷害。就目前來說，人類的處境既樂觀又不樂觀，樂觀的是，我們擁有了防御的意識并開始準(zhǔn)備，而且由于地外空間真的非常大非?？?，撞擊發(fā)生的概率相對于我們每個人來說微乎其微；不樂觀在于，大眾對于小行星的了解非常少，而國際上的行星防御機(jī)構(gòu)目前實際掌握的小行星數(shù)據(jù)也不夠一半，我們的深空技術(shù)也處于發(fā)展的初級階段，如果真的遭遇突如其來的威脅，全球各國真的能聯(lián)合起來高效率的解決一個每秒飛行20公里的龐然大物嗎？

責(zé)任編輯：夏丹