我们有办法拦截陨石吗?

2019年9月29日 18:43

2019年4月29日,行星防御会议(PDC)在美国华盛顿展开,来自各国的小行星专家与美国国家航天航空局(NASA)、联邦紧急事务管理署等机构一起完成了一次天体防御演习,模拟一颗小行星撞击地球的场景。

在这次演习中,他们假想了一颗直径140-160米的小行星直冲地球而来,如果与地球发生碰撞将释放出约7000-450000颗原子弹的能量。

最终拟定的防御策略是在小行星尚未到来的几十年之前,联合地球上的多家国际合作单位,用动力撞击技术通过撞击改变小行星的轨道。

尽管实际的一次撞击只能很小幅度地改变小行星的轨道,但只要撞击得足够早,随着时间推移,最终微小的推力也能使小行星轨道发生显著偏移,从而避开地球。

太空威胁受到重视

自1994年7月17日,人们观察到一颗彗星碎片与木星相撞以来,这类来自太空的威胁开始引发人们对天体防御的关注。科学家们开始主动开展防御性观测,观测对象主要为直径大于1公里且轨道跟地球轨道有交叉的小行星

这类尺寸的小行星具有足以毁灭地球文明的力量。截至2011年的数据,美国国家航天航空局NASA已找到93%的近地威胁天体,至今仍在持续观察。

NASA监测的部分小行星数据

NASA监测的部分小行星数

有的人会提出质疑,地球已经几千万年都没有经历大天体撞击的事件了,如此兴师动众将大笔资金投入这类计划有必要吗?

上一次遭受小行星撞击而消失的族群,它们的骨骼标本正展示在博物馆大厅里。我个人认为,我们应该提前做点什么,即使在千年一遇的天灾面前也不可束手就擒,所以“很有必要”。

地球的位置相对安全

那么,就天体防御而言,我们能为自己做些什么呢?

先来了解一下地球的天文环境。环视太阳系,八大行星的轨道面几乎平行。行星中地球排在第三的位置,靠近内侧。事实上,外侧的“老大哥”们像一道道盾牌帮忙抵御了不少威胁。

排位老五的木星,体积是地球的1316倍,质量是地球的318倍;排位老六的土星,体积是地球的745倍,质量是地球的95倍;天王星体积是地球的63倍,质量是地球的15倍;海王星体积是地球57倍,质量是地球的17倍

这四位巨佬就是地球的第一重屏障,依靠它们庞大的体积和强大的引力,可以将冲向地球的大多数小行星收押或改变轨道,所以“天地大冲撞”事件的发生概率很小。此外地球拥有厚达12公里的大气层,直径小于10米的陨石将会因高速摩擦而燃烧殆尽。

正在持续监测太空威胁

有了外侧行星的“屏障”和自身大气层的“过滤”,依然不可掉以轻心。直径10米以上的小行星仍然是很大威胁。

防御工作最重要的是”侦查“,目的是提前获取敌方信息,需要对有威胁的小行星建立全覆盖无死角的监测。这项任务早已开始落实,在全球有超过400个天文观测台、站(如中科院紫金山天文台设在江苏盱眙天文观测楼)在共同执行这项任务。

天文学家依照”搜索-观测-轨道计算-跟踪“的流程,把观测结果上传到国际小行星中心,进行全球信息共享。

观测任务的第一阶段是找寻所有”直径大于1公里,对地球有威胁的小行星“。总数量接近2000颗,目前已基本完成。下一阶段是将目标细分,寻找”直径大于140米“的小行星,这样的小行星有数万颗,并且体积小亮度低,找起来就像是黑纸上的碳粉,普通天文望远镜基本无能为力。

但小型天体吸收太阳光升温比较明显,会发出“明亮”的红外光芒,因此红外望远镜更擅长捕捉这类小行星。

监控有死角,漏网的鱼

蓝色为地球,紫色为“2019 OK”

蓝色为地球,紫色为“2019 OK”

尽管天文学家非常勤勉,漏网之鱼仍然存在。就在今年7月24日晚,一颗直径57-130米直径的小行星“2019 OK”近距离掠过地球,最近距离仅有7.3万公里,约为地月距离的1/5。这是一次字面意思上的“亲密接触”。

看上去距离还远,其实小行星相对地球的速度高达24.5公里/秒,如果它早40分钟到达就可能发生碰撞,撞击的威力将足以毁灭一座城市。但它却是在掠过地球的一天前才被巴西SONEAR天文台发现。

2013年车里雅宾斯克小行星撞击事件

2013年车里雅宾斯克小行星撞击事件

2013年2月15日上午,一颗约15米直径的小行星穿过大气层,在俄罗斯车里雅宾斯克市上空3万米处发生爆炸,该市约20万平方米的玻璃因爆炸损毁,也因此造成1400多人受伤。

据俄罗斯《消息报》,俄罗斯国防部几天前已收到陨石坠落的消息,但专家对陨石产生误判,认为其会在坠落前完全燃烧殆尽,因而没有发出警报。可见我们对小行星的监测能力仍有待完善,10米左右的陨石就能对我们造成巨大伤害。

发现了,我们又能把它怎么样?

如果成功提前侦察到威胁较大的巨型小行星,我们可以采取多种办法处理。

NASA认为最优解是改变小行星的轨道,如利用撞击器的撞击冲量,对小行星轨道产生微小偏移。随时间的累积,轨道的偏离量会大到足以远离地球。

“深度撞击号”撞击器

“深度撞击号”撞击器

这种撞击任务大家已经见识过。2005年美国“深度撞击号”项目中,NASA利用撞击器撞击坦普尔1号彗星,目的是将探测器送入彗核,以便收集彗核成分。撞击器是重370千克的铜质炮弹,以3.7万公里/小时的相对速度撞击彗星,动能达到1.96E10焦耳,相当于4.7吨TNT释放的能量。

事后有物理学家计算,撞击对彗星的轨道改变仅有10厘米左右。可以看出小行星的撞击必须提前规划,甚至提前数十年执行撞击,才可能积累足够的偏移量。

产生微小撞击的方式不只撞击器,还可以在小行星上安置太阳帆,利用太阳光的推力缓慢而持续地改变小行星的方向。不过小行星往往会自转,如何在旋转的小行星上安置太阳帆又是一道难题。又或者,在小行星上喷涂一层反光漆,在它反射太阳光的同时,也获得了来自阳光的推力。

肯定有小伙伴期待核弹登场,其实核弹未必是上策。即使将撞击器换成核弹,它在太空中的效果也许没有那么棒。以广岛“小男孩”原子弹为例,“小男孩”搭载了50公斤的铀235,经核裂变爆发的能量为500,000亿焦耳,相当于15,000吨TNT当量。

能量通过冲击波、热线、放射线等方式爆发出来,分别占50%、35%、15%的比例。但太空环境没有大气,核爆无法产生冲击波。且大部分小行星由硅酸盐矿物和铁镍金属构成,热辐射和高能射线对其产生加热效果,或许会使表面物质熔化并喷薄而出,但推力会很有限。

最令人头疼的就是中小型的小行星了,如直径10-150米的级别,难以提前侦查到,留给科学家的处理时间非常短。如果这类小行星进入了大气层,我们可以采取的办法很少,炸毁它往往是最后之策。而“2019 OK”达到了72倍音速,人类目前最先进的导弹只能达到25倍音速,这就为正面撞击制造了难度。

即使撞击成功,小行星碎裂散布的碎片也会造成二次伤害,看过《一拳超人》的朋友应该见识过陨石碎裂的危害性。

“死亡如风,常伴吾身”

如果现在就有一颗小行星飞向地球,而距离很近,以人类现有的能力将无法使其偏离轨道。我们只能最大限度地保护生命和财产,采取撤离人群和转移关键设施的举措。

显然,天体防御任务非常艰巨,人类在监测、模拟的初步工作上正在逐步完善,对于抵御小行星还有很长的路要走。