我們為什麼要制定防禦小行星的任務計劃？

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我們為什麼要制定防禦小行星的任務計劃？

4月25日，我國深空探測實驗室（又稱天都實驗室）在首屆深空探測國際會議中，首次詳細地向公眾介紹了我國的近地小行星防禦任務計劃。該計劃將在2030年實現對小行星的動能撞擊。目前已向全球公開徵集任務名稱、任務規劃和任務方案等。

在會議上公佈的計劃發展藍圖。圖：深空探測國際會議


那麼，為什麼要開展小行星防禦任務？哪些小行星需要監測預警並防禦應對？又如何防禦小行星？我國為什麼要在2030年開展近地小行星防禦任務？

為什麼要防禦小行星？
1980年，諾貝爾獎得主路易斯·阿爾瓦提出“小行星撞擊”學說，指出0.65億年前的一顆小行星撞擊地球，產生了極大的衝擊波和熱浪，不僅造成了森林大火和劇烈地震，還引發了巨大海嘯和覆蓋全球的粉塵（包括硫和二氧化碳等物質）。這導致在地球上約75%的物種滅絕，其中就包括恐龍。
小行星撞擊會引發海嘯，融化地殼物質，造成大量粉塵，遮蔽天空，並引發大規模酸雨，嚴重破壞生態。圖為小行星撞擊地球概念圖。圖：NASA/Don Davis

1991年，在墨西哥尤卡坦半島發現了形成於白堊紀和第三紀末期的直徑約200公里的隕石坑，研究表明該隕石坑是造成恐龍滅絕的小行星遺蹟，被稱為Chicxulub隕石坑。
曾經的地球霸主恐龍也難逃隕石撞擊地球帶來的厄運。圖：NASA & Google maps

數值模型分析研究表明，造成Chicxulub隕石坑的小行星直徑約為17km，密度約為2.63g/cm3，以43000km/h（約12km/s）的速度從尤卡坦半島的東北方進入大氣層，並以約60°的入射角撞擊地球。這進一步證明了“小行星撞擊”學說。
小行星撞擊角為60°時，隕石坑的演變情況，這與Chicxulub隕石坑周圍隕石的分佈和地下近30km的不對稱結構相吻合。該小行星撞擊地球的模擬示意圖，圖：Gareth Collins

此外，美國亞利桑那州的Barringer-crater隕石坑是5萬年前一顆直徑約50m的小行星撞擊地球造成的。
即使已有5萬年曆史，與其他隕石坑相比，這個隕石坑也相對年輕且保存完好。圖：NASA

1908年，一顆直徑約為40m的小行星在通古斯上空發生爆炸，導致西伯利亞約2000平方公里的樹木被催壞。
估計當時的爆炸威力相當於2千萬噸TNT炸藥，甚至遠在大洋彼岸的美國也能感覺到大地在抖動。圖為爆炸假想圖，圖：Don Davis

1994年7月，舒梅克·列維9號彗星撞擊木星，在木星上撞擊的影響半徑相當於地球大小，彼時用民用小口徑望遠鏡也可看到。
這一系列事件讓行星科學家和大眾再次意識到，小行星和彗星的撞擊對地球生命具有毀滅性的威脅。所以必須通過跟蹤監測，預測評估和防禦應對等措施來保護地球和人類的安全。
2013年一顆隕石進入大氣層，並在俄羅斯車里雅賓斯克市上空爆炸，造成上千人受傷。圖：YouTube

1999年，國際小行星聯合會（IAU）為了促進公眾對小行星撞擊危險的認識和監測，將小天體撞擊危險預測進行了分類：從0-10，表徵了可能撞擊事件的概率和後果。詳見下表。
從0-10，表徵了小行星撞擊事件的概率和危險等級
哪些小行星需要監測預警和防禦應對？
截止2023年4月27日，已發現的太陽系小天體接近120萬顆，且數量仍在不斷增加。根據小天體的公轉軌道分佈，主要分為近地小行星、主帶小行星、特洛伊天體、半人馬天體和海外天體等。
其中絕大部分小行星位於小行星帶，即主帶小行星。
除近地小行星和主帶小行星外，海王星軌道外存在大量小行星，是彗星的起源地之一。八大行星和小天體的分佈，圖：Shutterstock

在這些小行星中，主帶小行星、特洛伊天體以及海外天體由於引力攝動、非引力效應（Yarkovsky/YORP效應）和碰撞彈射等因素，部分小行星會離開原來的軌道向內太陽系運動。
這個過程中，部分小行星會被木星引力捕獲而減少了撞擊地球的風險，因此木星也被譽為地球的守護神。
木星是太陽系中最大的行星，其質量是太陽系所有其他行星總和的兩倍半多，因此擁有吸引眾多彗星和小行星的強大引力。1994年7月蘇梅克-列維九號彗星SL9與木星撞擊，圖：ESO
SL9與木星撞擊後分裂成的“太空項鍊”。圖：NASA

部分“漏網之魚”最終遷移到近地空間，成為近地小行星（近日距小於1.3au，au為天文單位，即太陽至地球的平均距離）。
這些軌道不穩定的小行星會被地月系統捕獲，月球上密密麻麻的隕石坑就是小行星頻繁撞擊的結果，然而這只是冰山一角，由於地球引力較大，更多的小行星撞向了地球。只不過因為地球的板塊運動、大氣運動、海洋佔比和生命活動等因素掩蓋了隕石坑。
月球表面坑坑窪窪，不像地球表面能通過侵蝕、構造和火山活動來“美容”。圖：NASA
加拿大魁北克省的一個環形湖，是2億多年前一次巨大撞擊留下的火山口遺蹟，如今僅從表面已經看不出當年隕石坑了。圖：NASA

近地小行星的軌道演化相對劇烈且頻繁，其軌道與地球軌道交匯而存在撞擊風險，而小行星撞擊程度主要取決於其質量的大小。不同直徑大小的小行星的數量不同，撞擊地球的頻次不同。
下圖呈現了不同直徑的小行星對地球造成威脅的統計數據。

其中，直徑在140m以上且與地球最小交匯距離在0.05au以內的近地小行星被稱為潛在威脅小行星（PHAs）。這是小行星防禦的主要目標，目前已發現的2320顆潛在威脅小行星的軌道分佈圖。圖：紫金山天文臺/胡壽村 
如何防禦小行星？
小行星防禦任務實際上包含兩個主要部分，分別為潛在威脅小行星的監測預警和變軌應對。
迄今為止，已被發現的近地小行星的數量隨時間的累積分佈圖如下。由圖可知，對直徑大於1km的近地小行星的觀測較為完備；還有大量直徑小於1km的近地小行星未被觀測到，未被觀測到的小行星中存在大量潛在威脅的小行星。
如果不能對它們進行及時的預警和撞擊評估，即不具備戰能力，人類也可能無法直接應對小行星的撞擊。
目前，承擔普查直徑大於140m以上的近地小行星的地基望遠鏡項目包括但不限於：卡特琳娜巡天望計劃、泛星巡天計劃和作為補充的小行星陸地撞擊持續報警系統（Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System, ATLAS）。我國紫金山天文臺的近地天體望遠鏡也參與其中。
對近地小行星的監測預警和碰撞評估，為變軌任務指定了目標。實際上，小行星防禦任務的思路主要有兩類：將小行星推離預測或原本的軌道，使其不能與地球相撞；將小行星分解成在大氣層中可以燃燒殆盡的無害碎片。
走這條道會被撞，那就讓你換條道走。圖：NASA

可能的應對方案可以總結為八字——“撞、炸、拖、牽、燒、噴、塗、拋”。
“撞”——動能撞擊，即利用航天器直接撞擊小行星，使其軌道發生改變。
“炸”——在小行星上空、表面或內部引爆核武器，利用高能量射線蒸發小行星表面的物質，通過形成的高速噴流來偏轉軌道或直接摧毀。
目前，核彈攻擊小行星的成功案例只存在於科幻作品中。圖：Armageddon

“拖”——在小行星表面安裝火箭發動機，通過發動機推離其軌道。
“牽”——發射一個飛行器繞行小行星，通過萬有引力緩慢牽引，改變其軌道。
“燒”——利用高能激光灼燒小行星表面，通過物質汽化形成的噴流改變其軌道。

高功率激光器能提供足夠的能量密度，熔化和蒸發任何已知的材料。圖：shutterstock

“噴”——利用電推進航天器向小行星表面噴射高速離子流，改變其軌道。
“塗”——在小行星表面塗一層漆，改變小行星的反射率和熱慣量，利用太陽的熱輻射反衝力改變其軌道（其原理為Yarkovsky效應）。
直徑小的小行星還好，直徑大的小行星塗上個十年八載都有可能。圖：Robert Lea

“拋“——在小行星上安裝挖掘機，挖掘小行星表面石塊，並拋離小行星，利用動量守恆定律改變其軌道。
挖掘機的點子已經在遊戲中實現，就是不知道要挖多久才有用呢…圖：steam

這些手段除了”撞”之外，均處於構想階段，還未驗證。動能撞擊已被應用於小行星防禦任務（DART），已是較為成熟的小行星防禦手段。
小行星防禦任務的開展
2017年，為了證明防禦策略具有備戰能力，國際小行星預警網絡（International Asteroid Warning Network, IAWN）以2012 TC4為目標開展了一場全球行星防禦演習，共有14個國家參與了此次演習。
該演習目標是使用全球的觀測資源，對該小行星進行聯合觀測、建模和預測，並測試實時協調和交互網絡的能力。儘管由於颶風等不可抗力的原因而使演習失敗，但在實時協調和結果共享上取得了成功。國際小行星預警網絡會實時更新與地球近交匯的小行星列表。
直徑約12m的小行星2012 TC4，在地球上空約43500km處以14km/s的速度飛掠地球。圖：NASA/JPL-Caltech

2022年9月27日，NASA的雙小行星重定向測試（DART）航天器成功撞擊了一顆名為迪莫弗斯（Dimorphos）的近地小行星。該小行星的直徑約為160m，是雙小行星系統中的伴星，主星為780m的迪迪莫斯（Didymos）。
DART任務將航天器在距離地球約1100萬千米處，以約3.6km/s的速度撞向迪莫弗斯，併成功將其繞行迪迪莫斯的12小時軌道週期縮短了約32分鐘。
DART任務的示意圖。圖：dart.jhuapl

觀測表明，撞擊後，該雙星系統增亮7倍以上，並且形成了一條長數萬千米的塵埃尾。
視頻分別是在迪迪莫斯視角下撞擊的瞬間和撞擊後對塵埃尾的模擬結果。此次撞擊實驗取得了高度成功，驗證了動能撞擊防禦小行星技術。
DART任務中在迪迪莫斯視角下撞擊迪莫弗斯的瞬間。圖：ESA
DART任務在撞擊後，對塵埃尾的動力學模擬，用不同顏色標註了不同直徑塵埃顆粒的演化軌跡。圖：Wiegert

繼美國之後，我國在4月25日公佈了近地小行星防禦的發展藍圖，並計劃在2030年實現一次小行星的動能撞擊任務。
儘管我國在小行星防禦方面起步較晚，但嫦娥二號，天問一號深空探測任務的成功開展，以及天問二號深空探測任務將對2016 HO3近地小行星進行採樣返回，對311P彗星進行飛掠探測。這都為我國未來的小行星防禦技術提供了較好的基礎。
中國雖然起步晚，但勝在底子好。

目前，我國的小行星撞擊任務處於論證階段，並正式向民眾徵集任務名字、任務規劃和任務方案等。
此外，中國深空探測實驗室還公佈了小行星動能撞擊任務的10顆候選目標，其相關信息詳見下表。值得注意的是，這10顆小行星中直徑最大的僅為89m，雖然直徑越小，動能撞擊效果可能越顯著，但是這也為工程技術提出了巨大挑戰。
我國的小行星撞擊任務首先必須滿足5個基本條件：

  1. 撞擊後不會對地球產生威脅；
  2. 目標軌道傾角不大於7°，偏心率不大於0.6；
  3. 在撞擊前，地基望遠鏡至少有一次觀測窗口；
  4. 撞擊時，國內的地基望遠鏡可見，撞擊後，3年間至少有一次觀測窗口；
  5. 目標必須符合在2025年-2045年的任務發射窗口。
該任務致力於實現3大科學目標和3大工程目標。
3大科學目標為：

  1. 研究撞擊目標的動力學演化規律，探測目標的軌道特徵；
  2. 探測目標的形狀、大小、成分和結構；
  3. 研究撞擊動量傳遞規律，開展地形變化和濺射物分佈等研究。
3大工程目標為: 

  1. 形成動能撞擊在軌處置能力，實現在高速下高精度制導和控制能力；
  2. 實現地基監測和天基探測兩盒評估模式和方法；
  3. 建設預警與處置決策支持平臺。
近地小行星防禦任務的開展不僅有利於保護地球和人類安全，而且將進一步激發人類探索宇宙的探險精神，提高人類進入太空的科技水平。
參考資料：
1. 首屆深空探測（天都）國際會議，2023年4月25-26日，合肥。
2. 李明濤， 小行星防禦有“術“， 中國科學院國家空間科學中心，2022， （12）,36-39.
3. https://ssd.jpl.nasa.gov/
4. Hildebrand A.R., Penfield G. T, et al., Chicxulub Crater: A possible Cretaceous/Tertiary boundary impact crater on the Yucatan Peninsula, Mexico.
5. https://iawn.net/close-approaches/ca-table.shtml
6. https://www.esa.int/

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