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小行星会碰撞地球吗?科学家如何应对

来源:前瞻网 时间:2020-09-02 15:26:48

8月16日,一颗代号2020 QG的小行星从印度洋上空飞掠过地球,距地面仅约2950公里,这颗小行星从人造卫星中轨道区(2000km—20000km)越过地球!更为惊险的是,在这颗小行星造访地球6小时后,人类才发现其存在。

宇宙并不像我们想象的那么安静,空间中漂浮着无数星体,这些星体围绕各自的轨道运行,那些与地球运行轨道相交的星体称作近地小行星(Near-Earth Asteroid)。

只要这些小行星和地球同时运行到相交点,双方就会发生碰撞。小行星撞地球并不罕见。6500万年前,一颗估算直径约为10km的小行星撞击地球,造成物种大灭绝,这也是有史以来最严重的一次撞击。1908年发生的通古斯大爆炸也是由坠落地球的小行星引起,将方圆2000多平方公里内的树木焚毁殆尽。

幸运的是,目前几次较为严重的撞击事件都发生在偏远地区。如果撞击的地点是人口密集的城市,人类应当如何防御呢?

防御的前提是发现。目前许多国家都在监测近地小行星,紫金山天文台盱眙观测站是中国目前唯一一个近地小行星观测站;美国建立了巡天系统;欧洲也有自己的“太空态势感知计划”。

监测确定了来袭小行星的轨迹后,便可着手开始进行防御。人类目前已经提出了几种防御措施:核爆、动能撞击、激光烧蚀、离子束牵引、引力拖曳、质量驱动、太阳光压等。除了利用大规模核爆完全摧毁小行星外,这些方法基本都是通过改变小行星运行轨道实现的。

简单粗暴核武器

核爆是目前公认的最主要手段,通过向目标小行星发射核弹或者在其表面钻孔放置核弹从而达到摧毁或改变其轨迹。关于这一手段的可行性,已经有实验佐证。

那么,需要多少核弹才能摧毁一颗小行星呢?

由于每颗小行星的大小和成分各不相同,这个问题并没有确切的答案。不过,还是有科学家进行过相关实验,可以为我们提供一些参考。

2012年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory,LANL)使用超级计算机进行了一次核爆模拟实验。实验中模拟的小行星长约500米,宽约250米,材质为花岗岩,所使用的核弹当量为100万吨,大约是美国轰炸长崎的原子弹的50倍。

这次模拟实验采用空中引爆的方式,引爆高度根据日本“隼鸟”小行星探测器的数据确定。实验结果相当成功,实验人员表示:“如果地球在将来面临小行星撞击威胁,我们可以采用这种方式应对。”

但是,这次模拟实验也还存在一些问题。首先是材质,近地小行星并不是全是岩石结构,还有许多的主要成分是铁、镍等金属。核爆能否完全摧毁这些小行星还不得而知。

此外,实验模拟数据显示,核爆无需在小行星内部进行,在表面引爆就可消除威胁。这一结论被之后的一场实验“打脸”。

2018年,俄罗斯科学家进行了激光摧毁小行星的模拟实验。实验中使用的宽约8~10毫米的微型小行星都是人造的,不过其密度、硬度、形状、成分和孔隙都与真实小行星的数据一致。

科学家向这些人造小行星发射激光,从而测得了摧毁每克小行星物质所需的能量。最终,实验结果显示摧毁直径约200米的非金属小行星需要一颗300万吨当量的核弹,威力约相当于美军在长崎投放的原子弹的150倍。

这次实验还显示,如果瞄准小行星表面的钻孔发射激光,从内部将其引爆,那么所需的能量会小得多。看来,使用核弹攻击时,位置的选择也相当重要。

就核爆本身来说,可以完全摧毁最好,但如果发射的核弹当量不足,或者因其他因素未能摧毁小行星核心结构,小行星表面必定沾染放射性物质,这样的小行星对地球的危害更大!即便被完全炸毁,也不排除碎片在自身引力作用下再次聚合的可能。

该手段的优势也很明显。核弹方式较为灵活,所需时间也比其他方案短。再者,人类有能力制造大当量核弹(有史以来最大的核弹当量已达到5000万吨)并将其发射至目标小行星。

因此,即便核爆手段存在一些潜在问题,它仍是目前可行性最高的方案。在美国2010年发布的《捍卫地球:近地物体调查和减灾战略 》报告也称:“对于警告时间短的大型潜在危险小行星,核爆是唯一可行的选择”。

“换汤不换药”的轨道偏离法

上面说过,动能撞击、离子束牵引、拖船、质量驱动、引力拖曳、太阳光压、激光烧蚀等方案都是通过改变小行星运行轨迹来防御的,只是各自的具体手段不同:

动能撞击即施加冲击力迫使小行星改变轨道。

离子束牵引是利用飞船发射的离子束将小行星推离原轨道。

拖船法即使用太空飞船将小行星拖离原轨道。

质量驱动是利用小行星自身的质量变化使其改变轨道,前提是需要发射登录器对小行星进行钻取,改变其质量。

引力拖曳是指利用重型航天器和小行星之间存在的引力使后者偏离原定轨道。这一方案要求航天器贴近小行星飞行,达到相对静止的效果。航天器质量越大,产生的引力就越大。

太阳光压利用了波粒二象性,在小行星表面安装大型太阳能板,利用太阳光的压力推动小行星改变轨道。2004年,日本通过太阳光压法成功使两个太阳帆在太空飞行了两分多钟,这也证明了光压确实能产生推力。

激光烧蚀法是利用激光光束拦截和偏转小行星。美国科学家已在实验室环境下进行过类似实验,他们使用“DE-STAR(小行星和星际探索目标定向能量系统)”烧蚀玄武岩使其发生质量变化,从而改变其运行路径。实验结果显示,玄武岩样本逐渐减速、停止之后,又再次逆向旋转。但是,要烧蚀直径为米级甚至千米级的小行星,对激光束能量要求很高,目前人类科技还无法满足此要求。

上述几种方案中,离子束牵引、激光烧蚀法目前存在较大技术障碍;太阳光压、引力拖曳稍显被动,实际偏转效果较小;质量驱动、拖船法简单易懂。下面我们重点讨论一下动能撞击。

2005年,美国宇航局“深度撞击”号飞船发射撞击器(372kg),以10.2km/s的速度准确击中坦普尔1号彗星(长约14km,宽约4km)并使其偏离原轨道,偏转速率为0.0001mm/s,与近日点的距离缩短了10米。

美国宇航局还计划在2022年实施双小行星重定向测试(Double Asteroid Redirection Test),使用质量555kg的航天器,以6.65km/s的速度撞击迪蒂莫斯(Didymos)双星小行星系统中较小的一颗,预计产生0.8-2 mm / s的轨道偏转。

2020年5月,中国科学院的研究人员于提出了增强动能撞击法。该方案共四个阶段:发射航天器进入预定轨道;航天器飞至其他小行星附近,将其拉拢形成聚合体,如果小行星质量过大,也可在其表面开采岩石;聚合体在航天器机动作用下向危险小行星飞行;完成撞击。

该成果已在线发表于Scientific Reports期刊,审稿人称其为“新颖、有趣、潜在非常高效的防御危险小行星方法。”

该论文以毁神星(Apophis)作为模拟对象。毁神星直径约300—400米,质量6100万吨,与地球相撞的概率一度达到2.7%。如果发生撞击,将释放相当于15.3亿吨TNT炸药爆炸的能量。不过,最新的观测报告已经排除了相撞的可能性。

研究人员在论文中进行了详细的可行性论述。

首先是飞行问题。此前,美国宇航局发射了NEAR航天器并在小行星表面成功降落,因此这一阶段的任务难度不大。

其次是捕获小行星,在到达安全小行星后,航天器对其进行观测并自动匹配小行星的旋转速率,随后从极点位置释放捕获网将目标包裹起来。最后再使用反应控制系统(RCS,即通过发动机的推力改变运行状态)解除航天器和小行星的自转。

收集岩石阶段,航天器拥有2个捕获臂(capture arm)和3个接触臂(contact arm)。前者用于固定航天器,后者用于驱动。两个捕获臂上百个微型抓钩可以使航天器牢牢固定在各种表面。

最后便是使用航天器运送聚合体的过程,根据凯克空间研究所(Keck Institute for Spacce)的模拟实验,将重达1800吨的小行星运送至地球和月球之间是可行。

论文指出,增强动能撞击法的优势之一在于其突破了地面发射的局限性,“利用当前技术显着增加了撞击器的质量”。由于地球重力,运载火箭的运载能力受到了限制,因传统方法的撞击器质量一般都很小。

从下表的模拟数据看出,增强撞击器的质量远超过前者,最终的速度增量和距离都优于前者。研究人员表示,与传统的动能撞击相比,加强版撞击可以将偏转效果提升一个数量级。

其次,这一方法还将科学与行星防御探索相结合,在行星聚拢和钻探中采集的数据对空间探索也大有裨益。

不过,由于需要聚合小行星,增强撞击所需时间显著增多,这对观测并确定潜在威胁小行星的位置提出了更高的要求。此外,实施过程中还需要计算用作聚合体的安全小行星的轨道,且该小行星的速度增量必须低于撞击器和安全小行星。所选择的安全小行星的成分对于开采岩石也有一定影响。

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