朱 進(jìn)楊志濤 甘慶波 趙海斌 霍卓璽 姜曉軍

(1 北京天文館北京 100044)

(2 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)北京 100101)

(3 國(guó)家航天局空間碎片監(jiān)測(cè)與應(yīng)用中心北京 100101)

(4 中國(guó)科學(xué)院行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京 210023)

(5 中國(guó)空間技術(shù)研究院錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室北京 100094)

(6 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院北京 100049)

1 引言

由于小行星撞擊地球事件頻發(fā),并可能誘發(fā)巨大災(zāi)難,科技共同體和國(guó)際社會(huì)將其作為影響人類(lèi)社會(huì)和文明可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題來(lái)積極應(yīng)對(duì)[1].國(guó)際組織“國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)” (IAWN)1http://iawn.net/about.shtml和“空間任務(wù)規(guī)劃建議組”(SMPAG)2https://www.cosmos.esa.int/web/smpag的成立則充分反映出國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注和重視.與此同時(shí),我國(guó)對(duì)近地小行星撞擊威脅的重視程度亦在快速提升.近地小行星(NEA)3https://cneos.jpl.nasa.gov/about/neogroups.html是軌道近日點(diǎn)在1.3 au以?xún)?nèi)的太陽(yáng)系小行星,其中與地球最近距離在0.05 au以?xún)?nèi)且絕對(duì)星等亮于22 mag (對(duì)應(yīng)直徑約140 m)的近地小行星又稱(chēng)為潛在威脅小行星(PHA).截至2021年1月10日,據(jù)小天體中心(MPC)公布數(shù)據(jù)4https://minorplanetcenter.net/mpc/summary顯示,已發(fā)現(xiàn)近地小行星24446顆,其中潛在威脅小行星有2176顆.根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)公布的報(bào)告[2]估計(jì),直徑在100 m以上的近地小行星目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)量只占理論預(yù)測(cè)數(shù)目1/3左右,100 m級(jí)小行星若撞擊地球便足以造成巨大危害[3–4].實(shí)際而言,并非所有的NEA或PHA均有撞擊地球的可能性,而就危害而言10 m級(jí)的小行星撞擊地球也可導(dǎo)致一定的損害,2013年車(chē)?yán)镅刨e斯克撞擊事件就是由一顆19 m左右的小行星引起的[5].直徑更小的小行星撞擊地球造成的物理危害有限,多是在大氣層空爆解體[3].為明確近地小行星撞擊監(jiān)測(cè)預(yù)警需重點(diǎn)考慮的范圍,我們提出“短期威脅小行星”(Short-term Hazardous Asteroid,SHA)的概念,并將其定義為:在未來(lái)100 yr內(nèi)與地球存在撞擊風(fēng)險(xiǎn)且等效直徑大于10 m的近地小行星,此處“存在撞擊風(fēng)險(xiǎn)”是指撞擊概率大于零.

2 短期威脅小行星

短期威脅小行星概念的提出主要考慮以下3個(gè)因素:(1)預(yù)報(bào)期為100 yr.這是因?yàn)閷?duì)近地小行星的監(jiān)測(cè)和軌道計(jì)算均會(huì)存在誤差且預(yù)報(bào)期越長(zhǎng)誤差越大,同時(shí)人類(lèi)監(jiān)測(cè)預(yù)警及防御應(yīng)對(duì)的技術(shù)也會(huì)日益提高,因此預(yù)報(bào)期很長(zhǎng)的撞擊風(fēng)險(xiǎn)無(wú)需重點(diǎn)關(guān)注;(2)存在一定的撞擊風(fēng)險(xiǎn).是指近地小行星撞擊地球的風(fēng)險(xiǎn)不能排除,仍然有一定概率發(fā)生撞擊.這將只是近地小行星的一個(gè)較小子集;(3)等效直徑大于10 m.表示近地小行星撞擊地球后不會(huì)在大氣層中完全燒蝕,其空爆當(dāng)量可能造成相當(dāng)程度的潛在危害.這有別于PHA只考慮140 m以上可造成巨大危害的NEA.短期威脅小行星組成的集合是動(dòng)態(tài)變化的,一是隨著探測(cè)到的近地小行星數(shù)量越來(lái)越多,同時(shí)發(fā)現(xiàn)有撞擊風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)亦會(huì)越來(lái)越多;二是隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累,編目軌道和撞擊概率的計(jì)算精度會(huì)逐漸提高,因此原有的威脅目標(biāo)有可能解除風(fēng)險(xiǎn),不再成為短期威脅小行星.

3 短期威脅小行星特點(diǎn)分析

近地小行星按照軌道大小分為如下4種類(lèi)型[6]:(1)阿莫爾型(Amor):近日距在1.017–1.3 au之間且軌道半長(zhǎng)軸大于1 au;(2)阿波羅型(Apollo):近日距小于1.017 au且半長(zhǎng)軸大于1 au;(3)阿登型(Aten):半長(zhǎng)軸小于1 au且遠(yuǎn)日距大于0.983 au;(4)阿提拉型(Atira):遠(yuǎn)日距小于0.983 au.其中阿波羅型和阿登型近地小行星的軌道會(huì)穿過(guò)地球軌道,而阿莫爾型和阿提拉型近地小行星的軌道分別在地球軌道之外和之內(nèi).因此,從軌道分布來(lái)看,由于短期威脅小行星與地球存在撞擊可能,其軌道類(lèi)型基本只能是阿登型或阿波羅型.阿莫爾型或阿提拉型中僅軌道根數(shù)處于分類(lèi)邊界附近的少數(shù)近地小行星,在攝動(dòng)力作用下軌道可能逐漸變化至與地球軌道相交,進(jìn)而成為短期威脅小行星.4類(lèi)近地小行星和短期威脅小行星的半長(zhǎng)軸a與偏心率e的可行域如圖1中所示,其中散點(diǎn)區(qū)域表示短期威脅小行星的可行域.

圖1 短期威脅小行星軌道分布可行域示意圖Fig.1 The a-e distribution of SHAs

基于近地天體研究中心(CNEOS)公布的數(shù)據(jù)5https://cneos.jpl.nasa.gov/sentry/進(jìn)行分析,截至2020年1月10日已有短期威脅小行星756顆,其中等效直徑最小10 m,最大916 m (編號(hào)2014 MR26,撞擊概率2.5×10?8),對(duì)應(yīng)的絕對(duì)星等分別約為28 mag和18 mag.

3.1 軌道分布

短期威脅小行星和已編目近地小行星的軌道分布情況如圖2所示,其中左圖是軌道半長(zhǎng)軸的分布情況,右圖是軌道傾角i的分布情況.

圖2 SHA和NEA的軌道分布對(duì)比(左圖:軌道半長(zhǎng)軸對(duì)比情況;右圖:軌道傾角對(duì)比情況)Fig.2 Comparison of orbital distribution of SHAs and NEAs (left panel:orbital semi-major axis;right panel:orbital inclination)

由圖2可見(jiàn)兩者的軌道分布并不一致,其中軌道傾角的差異最為明顯,短期威脅小行星中小傾角的比例很高,傾角在5°以?xún)?nèi)的比例超過(guò)60%,傾角在10°以?xún)?nèi)的占比超過(guò)85%,而在一般近地小行星中占比分別不足30%和60%.因此,對(duì)短期威脅小行星的搜索探測(cè)應(yīng)更多集中在黃道面附近.

3.2 撞擊速率與撞擊概率

分析已發(fā)現(xiàn)的756顆SHA,其平均撞擊速率達(dá)17.1 km/s,標(biāo)準(zhǔn)差4.8 km/s,中位數(shù)為15.8 km/s.圖3展示了SHA撞擊速率(左圖)和撞擊概率(右圖,其中Cum代表累積)的分布情況.如圖3左圖所示,撞擊速率V在13–15 km/s區(qū)間的SHA最多,占比約25.8%,撞擊速率在19 km/s以?xún)?nèi)的占比約75%.

圖3 SHA撞擊速率(左圖)和撞擊概率(右圖)分布情況Fig.3 Distribution of impact velocity (left panel) and probability (right panel) of SHAs

此外,分析這些SHA的撞擊概率P,不同量級(jí)的分布情況如圖3右圖所示,撞擊概率在10?6量級(jí)的SHA最多,占比約30%,且撞擊概率不高于10?6的累積數(shù)量占比約75%.其中,撞擊概率最高在10?3量級(jí),共有5個(gè),基本信息如表1所列.

表1 撞擊概率最高的5個(gè)SHA的基本信息Table 1 Basic information of the 5 SHAs with the highest impact probability

3.3 尺寸分布及數(shù)量預(yù)測(cè)

圖4所示為不同區(qū)間累積SHA數(shù)量及其所占相同區(qū)間NEA數(shù)量的比例(記其為R1),以絕對(duì)星等H=20 mag的柱形為例,其上方標(biāo)注的數(shù)值11表示絕對(duì)星等H <20 mag的SHA數(shù)量NSHA=11,對(duì)應(yīng)縱軸的數(shù)值則表示NSHA占相同區(qū)間已編目NEA數(shù)量NNEA的比例,約為0.25%.

從圖4可看出,SHA的尺寸越小所占已編目NEA的比例越高,這主要是受監(jiān)測(cè)能力影響造成的選擇效應(yīng),因?yàn)樾〕叽绲腘EA需要離地球足夠近時(shí)才可被探測(cè)到并編目.同時(shí),尺寸越大的NEA對(duì)應(yīng)的選擇效應(yīng)越弱.此外,Stokes等[7]預(yù)測(cè)了不同尺寸近地天體的總數(shù)量(Total),將Stokes的估計(jì)量與已編目NEA數(shù)量進(jìn)行對(duì)比,并計(jì)算已編目數(shù)量占模型預(yù)測(cè)總數(shù)量的比例(記為R2),結(jié)果如圖5所示.

圖4 SHA相對(duì)于已編目NEA的數(shù)量占比分布Fig.4 Distribution of SHAs relative to the cataloged NEAs

圖5 NEA預(yù)測(cè)數(shù)量、已編目數(shù)量及完成比例Fig.5 Predicted and catalogued numbers of NEAs,and the completion ratio

由圖可見(jiàn),假定已基本無(wú)需考慮其選擇效應(yīng),對(duì)于H在20 mag以下(對(duì)應(yīng)直徑約350 m)的NEA,已編目比例均超過(guò)80%.此外,據(jù)NEA數(shù)量分布模型的研究,近地小行星軌道與尺寸的分布相互獨(dú)立,而一顆NEA是否成為SHA主要取決于軌道參數(shù).因此,作為初步估計(jì),選取H <20 mag對(duì)應(yīng)的比例0.25%作為一般NEA中SHA所占的比例,由此預(yù)測(cè)不同尺寸SHA的累積數(shù)量分布,作為預(yù)測(cè)數(shù)量的下限,記為T(mén)otalLow.同時(shí),對(duì)于更小尺寸的SHA,若不考慮選擇效應(yīng),即認(rèn)為目前已發(fā)現(xiàn)的各區(qū)間數(shù)目的比例可代表SHA在總體NEA中的比例,并由相應(yīng)比例預(yù)測(cè)數(shù)量上限,記為T(mén)otalUp.如圖6所示為SHA已發(fā)現(xiàn)數(shù)量和預(yù)測(cè)數(shù)量的對(duì)比情況.其中預(yù)測(cè)數(shù)量的誤差比例為0.5–2,與Stokes等[7]預(yù)測(cè)的NEA數(shù)量誤差基本保持一致.其中典型尺寸SHA累積已發(fā)現(xiàn)數(shù)量NSHA、預(yù)測(cè)數(shù)量NTotal和已發(fā)現(xiàn)比例如表2所列.預(yù)計(jì)直徑D在10 m以上SHA的數(shù)量可達(dá)到近十萬(wàn)至百萬(wàn)之多,直徑50 m以上SHA的數(shù)量在575–1628之間.此處預(yù)測(cè)模型的誤差因子在2倍左右.

圖6 SHA預(yù)測(cè)數(shù)量和已發(fā)現(xiàn)數(shù)量Fig.6 Predicted and discovered quantities of SHAs

表2 典型尺寸SHA的已發(fā)現(xiàn)數(shù)量和預(yù)測(cè)數(shù)量Table 2 Discovered and predicted quantities of typical size SHAs

4 總結(jié)與建議

鑒于實(shí)際存在的近地小行星數(shù)量巨大,且并非所有近地小行星均會(huì)對(duì)地球構(gòu)成撞擊威脅,與此同時(shí),潛在威脅小行星只包含直徑140 m以上的近地小行星,并且同樣不是所有目標(biāo)均會(huì)對(duì)地球構(gòu)成撞擊威脅,因此本文提出“短期威脅小行星”的概念,明確界定出監(jiān)測(cè)預(yù)警近地小行星撞擊威脅所要考慮的集合邊界,并基于現(xiàn)有短期威脅小行星數(shù)據(jù)和近地小行星數(shù)量模型建立了短期威脅小行星的數(shù)量估計(jì)模型.研究顯示,短期威脅小行星數(shù)量可達(dá)到十萬(wàn)到百萬(wàn)之巨,且軌道半長(zhǎng)軸更集中于1 au、軌道面更集中于黃道面.短期威脅小行星軌道分布的研究對(duì)制定近地小行星搜巡監(jiān)測(cè)策略有重要意義.

本文工作僅是相關(guān)研究的初步探索,為有效支撐我國(guó)在近地小行星監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域研究工作的深入開(kāi)展,建議在以下幾方面開(kāi)展深入研究:

(1)對(duì)短期威脅小行星的軌道分布及尺寸分布建模,提升對(duì)危險(xiǎn)目標(biāo)整體分布情況的認(rèn)知,對(duì)天地基監(jiān)測(cè)網(wǎng)的規(guī)劃以及近地小行星搜巡策略的制定提供參考;

(2)進(jìn)行短期威脅小行星的精密軌道確定及撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法的研究,提升對(duì)撞擊威脅目標(biāo)的準(zhǔn)確判識(shí)和威脅預(yù)警能力;

(3)進(jìn)行短期威脅小行星物理特性的探測(cè)及計(jì)算方法研究,提升對(duì)近地小行星撞擊危害的評(píng)估準(zhǔn)確性,這同時(shí)也是制定撞擊危害減緩策略的關(guān)鍵要素.

致謝感謝審稿人對(duì)文章提出的寶貴建議,使文章質(zhì)量有了顯著提高.感謝MPC及CNEOS公布的近地小行星數(shù)據(jù),為本文分析工作提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ).