您当前的位置: 首页 >  博客资讯

撇开NASA另起炉灶?小行星近地防御:中国组建小行星防御系统

《环球网》4月24日报道:

今天(4月24日)是中国航天日,也是我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”成功发射52周年纪念日,国家航天局副局长吴艳华近日在接受总台央视记者专访时表示,我国将着手组建近地小行星防御系统,同应对近地小行星撞击的威胁,为保护地球和人类安全贡献中国力量。

完善建立地基天基对小行星的监测预警系统,研究探索相关的技术和工程,有没有可能解除这些威胁,着手组建近地小行星防御系统,组织编制近地小行星防御发展规划。

看过《三体》的朋友对行星防御理事会(PDC / Planet Defence Council)应该比较熟悉,对于三体人的大举入侵,地球上的资源都将由PDC来调配准备应对可能发生的太阳系之战,可惜由于科技的代差,木星之战中太阳系舰队几乎全军覆没。

小行星防御系统:到底是干什么的?

尽管目前确实发现了位于半人马座的比邻星确实存在一颗行星,但三体人入侵的威胁却没有,我们要防御的只是太阳系内“乱窜”的小行星,当然还有彗星!

小行星和彗星究竟是如何成为威胁的?

很多朋友都喜欢用“乱窜”来形容小行星,但其实小行星也是在各自运行的轨道上,这些太阳系形成之初遗留下来的“碎屑”数十亿年来一直在太阳系内“游荡”,以“乱窜”和“游荡”形容它们是因为有如下几个特点:

1、小行星质量太小,靠近大型天体时会被其引力改变轨道;

2、小行星数量太多了,其轨道要是画出来,木星轨道内一团浆糊,柯伊伯带一片雪花;

这些小行星实在是太多了,据科学家估计,数量可能在数百万以上,不过绝大部分小行星都对地球没有威胁,但有两类小行星对地球威胁非常大:

1、轨道与地球轨道交叉的小行星;

2、周期彗星和非周期彗星;

比如小行星带的小行星,轨道是环绕太阳公转、大致和地球“平行运行”的天体,大家老死不相往来,这些小行星就很安全!但穿越地球轨道的小行星就比较危险了,主要有两大类:

阿登型小行星:平均轨道半径接近一个天文单位 (AU,日地距离),而远日点大于地球的近日点(0.983AU)

阿波罗型小行星:平均轨道半径位于地球轨道外,近日点位于地球轨道内

不过地球轨道半径达到了1.5亿千米,只有在某些“特殊场合”与地球“照面”的小行星威胁才特别大,阿波罗型小行星有4000多颗,阿登型小行星有670多颗,但威胁地球的也不过是其中一部分。

阿波罗与阿登型小行星

除了小行星以外,周期彗星和非周期彗星对地球威胁也非常大,这些彗星一般来自太阳系的彗星“仓库”柯伊伯带,由于远在遥远的太阳系“雪线”(即使受到光照,本身的“脏雪球”也不会融化),这些天体受到柯伊伯带的引力扰动或者碰撞,会进入内行星轨道,环绕太阳公转。

柯伊伯带已知天体在主带天体颜色为绿色

此时其轨道平面一定会和地球轨道相交,有的则是立体相交,有的会直接穿越地球轨道,其一路上会撒下大量碎屑,当地球穿过时就是我们看到的各个星座的流星雨,但它们带来的却不只是浪漫,假如彗星在穿越地球轨道时候,地球刚好路经此处,灾难就会即刻发生。

这些直径数百米到数千米不等的彗核,质量可能高达数千万乃至数十亿吨的彗核,以超过10千米/秒的速度撞入地球大气层,其产生的能量堪比沙皇氢弹爆炸,甚至还要更强,比如6500万年前的恐龙灭绝就是一颗小行星或者彗星引起的。

小行星编号为2011ES4,直径在22至49米之间,约普通楼房大小。

小行星或彗星引发的威胁事件

1908年通古斯事件:1908年6月30日,一颗石质小行星在通古斯的上空爆炸,释放出超过2000万吨TNT的能量,超过2,150平方公里内的8千万棵树焚毁倒下,据估计爆炸发生在8.5公里的高度上,物体的直径在45-70米之间。

2002年东地中海事件:2002年6月6日,一颗直径约10米左右的天体在希腊和利比亚之间的地中海高空发生爆炸,当量大约为2.6万吨,没有人员造成伤亡。

2013年俄罗斯车里雅宾斯克小行星爆炸:2013年2月15日,一颗直径约15米,质量约7千吨的小行星以15千米/秒的速度闯入大气层,在车里雅宾斯克南方的叶曼热林斯克和南乌拉尔斯克之间的上空约30千米高度发生爆炸,其当量约50万吨TNT,造成地面1491人受伤,没有人员死亡。

小行星来袭:为什么不预警?

看到这里,相信很多朋友已经有疑问了,这小行星威胁确实太大了,要是通古斯卡那样的事件在纽约或者东京,又或者巴黎和伦敦发生,其造成的伤亡可能高达百万甚至千万,我们能事先知道吗?就算无法避免,先通知疏散也是可以的!

各位不要着急,已经有了!NEAT(Near-Earth Asteroid Tracking)就是一个追踪近地小行星的计划,这是NASA(美国宇航局)的一项近地小行星搜索及跟踪计划。它由两台口径均为1.2米(48寸)的望远镜组成,分别架设在美国夏威夷毛伊岛(MPC CODE 608)和加州圣地亚哥附近的帕洛玛山(MPC CODE 644)。

其搜索原理简单到你原地爆炸,漫天都是星星,但小行星是围绕太阳公转的,因此只要坚持一段时间就会发现小行星的星点是移动的,追踪一段时间就能发现这颗小行星的具体参数了。

从1995年以来,该计划总共发现了超过4万颗小行星!是最成功的的小行星搜索计划之一,但各位应该是发现了一些问题,加州和夏威夷相隔将近5000千米,尽管比单一地点覆盖率要高,但天气条件限制以及两者同属中低纬度,地球是一个球体,这些小行星可能来自地球以外的任何角度,NEAT搜索并不能覆盖全天区,怎么办?

各种项目检测到 的NEO数量

其实除了NEAT以外,还有卡特琳娜巡天(CSS),主要执行者是美国亚利桑那州图森附近的管家天文台的卡特琳娜站进行,在南半球的对应项目是Siding Spring Survey(SSS),截止2020年,卡特琳娜巡天总共发现了超过5万颗小行星,占已知近地天体总数的 47%。

卡塔利娜巡天

林肯近地小行星研究(LINEAR):美国空军、美国宇航局和麻省理工学院林肯实验室的合作项目,截至2011年9月15日,LINEAR已检测到 231,082 个新的太阳系小型天体。

洛厄尔天文台近地天体搜索(LONEOS):美国宇航局资助,由亚利桑那州弗拉格斯塔夫洛厄尔天文台的天文学家泰德鲍威尔执行的项目,1998年至200 年间总共发现了 22,077颗小行星。

洛厄尔天文台近地天体搜索( LONEOS)

哨兵系统(CNEOS,Center for NEO Studies):NASA下属的JPL近地天体研究中心推动的一个高度自动化系统,持续监测小行星目录,以寻找未来100多年内小行星与地球撞击的可能性。

除了这些小行星搜索以外,还有欧洲天文台以及欧南天文台,另外还有俄罗斯天文台以及全球各国的天文台观测时的小行星副产品,还有民间爱好者组织的小行星搜索,比如我国比较有名的是新疆星明天文台,而更多爱好者的则是利用大型天文台拍摄的照片进行处理对比搜索小行星。

潜在威胁小行星( PHA )

科学家估算如果直径超过140米的小行星撞击地球,会给人类带来重大灾难,甚至能摧毁一个国家。所以国际上把直径大于140米且离地球轨道最近距离小于0.05个天文单位( 750 万千米 ),绝对星等小于22小行星定义为:潜在威胁小行星( PHA )。

为什么还有那么多漏网之鱼?

相信各位应该意识到了有些不对,尽管全球搜索近地小行星的项目有很多,但从来没听说过车里雅宾斯克的小行星爆炸之前有过警告,那么大的事件居然在发生之前都是静悄悄的!

而真相则是大部分在地球上“爆炸”的小行星我们都不知情,至少在发生以前不知情,甚至有的在发生之后都不知情!下图是从1988年以来地球上发生过的小行星事件,除了几次大的各位听说过以外,其他的可能一无所知!

密密麻麻,是不是很恐怖?这些都是没有预警的!不过有一个案例:2008 TC3,堪称现代小行星“防御”的一个经典案例:

2008年10月6日凌晨6时39分(UTC,亚利桑那时间10月5日晚上11时39分),卡特琳娜巡天系统(CSS)发现一颗小行星,并且测量出了距离为480,500千米,略大于地月距离,CSS报告给了MPC的同时发现这颗小行星将会撞上地球。

此后的19个小时内,全球能观测到这个天体的天文台和爱好者都行动起来,以大量观测计算出了最精细的轨道确认其最后撞击的位置,因为这是有史以来第一次在小行星撞击之前发出预警,将撞击苏丹北部。

图中的蓝线是小行星接近地球的轨道

这颗小行星直径约4.1米,重量约80吨,以2分钟为周期的速度自转,2008年10月7日02:46UTC(当地时间05:46),这颗小型天体以12.8千米/秒的速度撞入地球大气层,与地平面的方位角为281度,高度角19度,坐标是21.00°N 32.15°E。

2009年2月28日被彼德・詹尼斯肯斯发现的2008 TC3碎片

在临近地面上空10千米高度时发生爆炸,威力相当于1000~2100吨TNT,《泰晤士报》报导称这颗流星的光“是如此的强烈,如同满月照亮了天空,一架附近经过的客机也报告看到了明亮的闪光。

防御了吗?显然来不及!因为我们未能“先敌发现”,发现得太晚了,从发现到撞击只有20小时不到,根本来不及防御,为什么不能早点发现?

其实原因很简单,看不见!一来是这些小行星实在太小,太暗淡,比如2017年著名的天体奥陌陌,视星等在21等以下,就算是数米口径的望远镜也得长时间曝光后才能发现,并且还极其暗淡。

假如天文台观测天区不对、假如当时天文台上空阴云密布、假如天文台观测档期被占、假如拍摄了大量资料照片没有计算机处理,那么这颗小行星在撞上地球之前不会有人知道,很多小行星都是经过地球附近或者撞击之后的第二天才看到新闻。

要是2008年撞入苏丹北部的这颗小行星直径500米、直径1000米怎么办?估计大家只能眼睁睁看着它撞入地球,因为20小时啥都干不了,除了天文爱好者架起望远镜对准这个目标来看看热闹。

真的什么都干不了?小行星如何防御?

准确地说小行星防御还是有可能的,而这个所谓的“防御”有两大前提:

1、及早发现

2、准确预测其轨迹

看上去似乎不难,上文介绍了那么多小行星发现的机构,但发现一直以来就是个难题,而接下来准确预测其轨迹其实是另一个极端的挑战,因为小行星轨道预测准确度极差,以著名的奥陌陌(1I/2017 U1)为例,这个科学家就经历了一次乌龙。

2017年10月18日,泛星一号(Pan-STARRS:夏威夷毛伊岛海勒卡拉火山顶)发现了一个极端轨迹的天体,其在一条双曲线轨道上运行,远高于逃离太阳系的速度,当时距离地球约0.2AU。

发现时早已过了近日点,并且也过了近地点,正在离开太阳系的“路上”,后被命名为1I/2017 U1,也就是奥陌陌!2018年6月27日,科学家发现了奥陌陌的轨道存在非重力加速度,简单地说就是奥陌陌的实际位置要比理论预测位置更靠前,计算后奥陌陌的非重力加速速度为17米/秒。

当时很多媒体都猜测这是一艘宇宙飞船,其中就有哈佛大学天文系主任阿维・勒布(Avi Loeb),不过天文学家们显然不会轻易认为这是飞船,而是太阳辐射导致奥陌陌出现了彗星一样的排气产生的推力。

而对于彗星和小行星天体来说,前者是排气导致的异常加速与减速现象,而后者则是不均匀的辐射压,速度增减就意味着轨道改变,比如空间站抬升轨道并不是朝着地球喷气,而是在后方加速让其速度增加自然抬升轨道!

因此速度一变,轨道就改变了,原本会撞击,结果不撞地球了!想要准确预测轨迹非常困难,这就成了一个大问题,那么这颗小行星到底会不会撞上地球呢?是该防还是不该防?

如何防御?

了解了轨迹预测的难点后,假如这颗小行星排除了一切可能后仍然会撞上地球,那么该准备如何防御了吧,有哪些方法呢?

好莱坞大片中一般都是用核弹轰的,而现实中的方法则是静悄悄的改变其轨道,因为这有一个问题,核弹毁伤其实主要是冲击波,在小行星表面爆炸毁伤效果并不好,因此真的需要钻孔或者钻地弹攻入内部爆炸,一来难度太高,二来可能需要多次爆炸,另外炸裂了碎片仍然可能像散弹一样飞向地球,更难处理。

因此最佳的处理方式是改变其轨道,让其从远离地球的方向掠过!格林尼治标准时间2021年11月24日6点21分,SpaceXFalcon 9火箭搭载着一个探测器“DART”从加利福尼亚州中部的范登堡太空部队基地发射升空,在10个月的时间内追上小行星Dimorphos,并且撞上它。

这就是改变小行星轨道的“DART”计划,撞击小行星,改变小行星的轨道,以便在未来木面临小行星威胁时候实施,而这次测试取得的大量数据将为未来执行“行星防御”准备。

撞击改变轨道显然是一种比较有效的方法,不过除了撞击以外,还有很多方法都可以,比如科学家想出了天才的解决办法,发射卫星聚焦阳光加热小行星,让其蒸发物质产生喷射动力改变轨道,或者使用激光加热,或者涂色让其辐射不均,或者引力拖拽等等,如下图:

不过显然这种方式改变轨道会相当缓慢,少则需要几个月,长则几年!因此必须在小行星威胁地球数月甚至数年前就执行该计划,力争将小行星威胁消除。

当一切手段都徒劳,比如时间太短或者改变轨道失败,那么造避难所计划就会提上日程,目前在实施或者已经实施的种子保存计划,DNA保存计划等等都将发挥出功能,只是我们希望这些人类备份的计划永远都用不上。

小行星防御:中国能做什么?

有人说NASA早已在建设小行星近地防御,中国还要搞什么近地防御?其实这和NASA根本就没什么关系,再说美国也早就在2011年正式通过了《沃尔夫条款》,以法令的形式直接禁止了中美两国间的任何航天技术合作,所以我们这不是另起炉灶,而是独立组建!

近些年来我国天文科学领域发展非常快速,众所周知的就是FAST射电望远镜以及西藏γ射线实验天文台,还有正在规划的青海冷湖赛什腾山等都是世界级的天文台,随着我国在天文观测领域的发展,小行星防御必将提上日程。

青海冷湖赛什腾山建设工地(央广网发 王小龙 摄)

小行星防御,如上文介绍,分为两个部分,首先就是发现,编制对地球有危险的小行星列表,这是第一步!尽管各国都有了巡天观测的天文台和望远镜,但我国国土面积辽阔,如果观念可以补上地球上很大一片空白,显然这是十分有必要的。

国家航天局副局长吴艳华介绍:

我们争取在“十四五”末期或者2025年、2026年实施一次对某一颗有威胁的小行星,既进行抵近观测,又实施就近撞击,就改变它轨道进行技术实验,这样为我们未来人类真正应对小行星地外天体对地球家园的威胁,真正作出我们中国新的贡献。

Planetary Defense Conference:第一届全国行星防御大会

就是PDC,各位没有看错!早在2021年10月23日,在我国广西桂林召开了第一届全国行星防御大会,和《三体》的行星防御简写一模一样,并且这还不是《三体》爱好者玩玩,因为参会的都是国内天文界顶流:

北京理工大学、 中国科学院国家空间科学中心、中国科学院紫金山天文台等,都是业界的巨佬,他们都是玩真的,因为小行星对地球威胁看起来很遥远,但其实很近,也许就迫在眉睫。

从与会者讨论的内容来看,笔者最关心的就是“动能撞击偏转小行星轨道在轨验证任务设计初探”,这个课题和国家航天局副局长吴艳华介绍方案很可能就是同一个,和目前NASA正在实施的DART计划如出一辙。

目前全球也就中美以及欧空局和俄罗斯等极少数几个国家和地区能实施如此庞大的计划,说大了是为人类防御小行星做贡献,事实上也是,因为在小行星撞击影响是全球性的,并不是那个国家比较倒霉。

2021年7月7日,英国《每日邮报》就曾报道过中国的科学家发表在《伊卡洛斯》上的论文,目的是论证火箭+动能撞击器对于改变像Bennu(贝努)这样的小行星需要多少次发射。

这个直径492m的天体是一颗阿波罗型小行星,看起来像是一颗骰子,NASA的奥西里斯号探测器于2021年对Bennu进行了采样,预计将于2023年返回地球。

贝努

中国科学计算的结果是需要23 枚“长征五号”火箭的连续撞击,才能将Bennu这样的天体改变的轨道,避免其撞上地球(其实Bennu还真有一定的概率会撞上地球)。

延伸阅读:都灵指数

都灵危险指数(Torino scale)是一套用作衡量近地天体撞击地球的指标,包括小行星和彗星,将其威胁撞击概率和破坏力成一个数值,来评估其天体撞击地球的严重性。

都灵危险指数使用介乎0至10之间的整数数值,当中“0”代表其撞击地球的机会微乎其微,又或是在撞击地球前会给其大气层摩擦燃烧殆尽;而“10”则代表该物体撞击地球的机会十分大,并足以造成全球性大灾难。

X轴则是撞击的能量,以兆吨(MT:百万吨TNT当量)为单位,比如广岛原子弹的威力为0.013MT,数字越大威力也越大,比如沙皇氢弹的威力为50MT等。

毁神星“阿波菲斯”是第一个都灵指数达到过2个的天体,不过随着对其轨道连续追踪的精确化后确认,阿波菲斯都灵危险指数于2006年8月5日由一级回落至零级。(完)