日前,中國(guó)科學(xué)家宣布,我國(guó)正規(guī)劃撞擊一顆小行星,這個(gè)消息一出立即沖上熱搜。實(shí)際上,世界各國(guó)很早就有類(lèi)似計(jì)劃,2022年已經(jīng)有了成功案例。據(jù)央視新聞報(bào)道,中國(guó)科學(xué)家在2023年就已經(jīng)發(fā)出了近地小行星防御空間處置方案的征集令,并選出了十顆備選小行星。多國(guó)科學(xué)家為什么都在考慮撞擊小行星?小行星對(duì)地球的威脅究竟有多大?中國(guó)科學(xué)家選定的是一顆什么樣的小行星?我們一起來(lái)看看。
中國(guó)撞擊小行星動(dòng)畫(huà)演示。 央視新聞截圖
1365顆近地小行星有撞擊風(fēng)險(xiǎn)
在9月5日召開(kāi)的第三屆深空探測(cè)天都國(guó)際會(huì)議上,中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁介紹,我國(guó)正在規(guī)劃對(duì)一顆小行星實(shí)施動(dòng)能撞擊演示驗(yàn)證任務(wù),驗(yàn)證小行星防御方案可行性。
吳偉仁介紹,太陽(yáng)系中有數(shù)十億顆小行星,它們富含鐵、鎳、鉑族金屬以及水冰等資源,具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,是太陽(yáng)系形成與演化的“活化石”。浩瀚的太陽(yáng)系中,圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的不僅有八大行星,還有千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)頭不等、形狀各異、運(yùn)行軌道不同的小行星。它們通常在太陽(yáng)系中穩(wěn)定運(yùn)行,而有些小行星運(yùn)行軌跡接近地球,被稱為近地小行星。作為太陽(yáng)系中最具潛在威脅的天體之一,近地小行星存在撞擊地球的可能性,雖然概率極小,但破壞力巨大。因此,近地小行星撞擊地球,被聯(lián)合國(guó)列為威脅人類(lèi)生存的二十大災(zāi)難之首。
天文學(xué)家把直徑超過(guò)1米的天體稱為小行星,小于1米的歸為流星體,流星體通常會(huì)在大氣層燒毀。據(jù)NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局)官網(wǎng)介紹,近地天體指可在距地球軌道5000萬(wàn)公里范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)的小行星或彗星,而對(duì)地球構(gòu)成潛在威脅的天體,為運(yùn)行軌道距地球軌道750萬(wàn)公里以內(nèi)且直徑大于140米的小行星。絕大多數(shù)小行星尺寸只有幾米,每個(gè)月都會(huì)撞擊地球,形成耀眼的“火流星”。2002年,美國(guó)近地小行星碰撞預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)“哨兵”計(jì)劃開(kāi)始運(yùn)行,到2022年的20年間發(fā)現(xiàn)了28000顆近地小行星,1365顆被列入有風(fēng)險(xiǎn),其中只有20顆超過(guò)140米直徑。
中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間科學(xué)傳播專(zhuān)家工作室副主任周炳紅接受采訪時(shí)表示,小行星的體積質(zhì)量越大,影響小行星軌道的難度也會(huì)越高?!叭绻敫淖冎睆?公里以上小行星的軌道,人類(lèi)最好提前數(shù)十年著手準(zhǔn)備,并且需要考慮多個(gè)方案,才能確保地球安全。”
三次震驚世人的小行星撞擊事件
科學(xué)家判斷,如果那顆名為“??颂K魯伯”(Chicxulub)的小行星沒(méi)有在約6600萬(wàn)年前的某一天撞擊地球,或許直到今天恐龍仍然是地球的主宰。正是這顆直徑約12公里的小行星撞擊了墨西哥灣地區(qū),造成全球氣候發(fā)生劇烈變化,從而導(dǎo)致了恐龍滅絕。
在地球自然歷史中,共有五次物種大滅絕,小行星是其中兩次的“肇事者”。世人最熟悉的,莫過(guò)于這次“??颂K魯伯”小行星撞上墨西哥尤卡坦半島,釋放能量相當(dāng)于100萬(wàn)億噸TNT炸藥,約等于當(dāng)今全球核武總當(dāng)量的100萬(wàn)倍,超過(guò)總數(shù)99.9999%的生物死亡,約76%的物種滅絕,體重超過(guò)25公斤的動(dòng)物無(wú)一幸免,包括所有非鳥(niǎo)類(lèi)恐龍。據(jù)科學(xué)家估算,??颂K魯伯級(jí)別的小行星,地球平均一億年才會(huì)挨上一顆。但是,更常見(jiàn)的幾十米寬的小行星,也不是吃素的。對(duì)地球來(lái)說(shuō),這樣來(lái)自太空的劇烈撞擊,很可能不會(huì)是最后一次。
1908年6月30日,一顆直徑65米左右的石質(zhì)小行星在沙俄遠(yuǎn)東通古斯河上空爆炸,摧毀了2150平方公里的針葉林,推倒了約8000萬(wàn)棵樹(shù)。其威力約為2000萬(wàn)噸TNT,而美國(guó)試爆過(guò)最大當(dāng)量的氫彈“喝彩城堡”也不過(guò)1500萬(wàn)噸。
最近一次撞擊事件發(fā)生在2013年。一顆直徑約18米的小行星在俄羅斯車(chē)?yán)镅刨e斯克地區(qū)約30公里高空爆炸,等效當(dāng)量約30顆廣島原子彈,導(dǎo)致近1500人受傷。如果發(fā)生在人口稠密地區(qū),后果會(huì)更加嚴(yán)重。
2013年小行星劃過(guò)車(chē)?yán)镅刨e斯克上空。圖源:北京科技報(bào)
如果以一個(gè)人生命的長(zhǎng)度來(lái)看,一個(gè)人在地球上遭到小行星毀滅性撞擊的概率是極低的。地球致密的大氣層也起到一定的保護(hù)作用。一般來(lái)說(shuō),直徑在10米內(nèi)的小行星在進(jìn)入地球大氣層時(shí),都很可能因?yàn)閯×野l(fā)熱而發(fā)生爆炸,并不會(huì)對(duì)地面造成太大破壞。但如果以數(shù)千萬(wàn)年、乃至億年的時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)看,地球遭受小行星毀滅性撞擊的可能性則一直存在。
人類(lèi)首次主動(dòng)防御小行星實(shí)驗(yàn)獲成功
面對(duì)近地小行星的潛在威脅,一般而言,天文專(zhuān)家可以通過(guò)大口徑、大視場(chǎng)的望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀察它,在它靠近地球大概前幾天或前幾周發(fā)現(xiàn)它,作好預(yù)警和應(yīng)對(duì)。
如果小行星真要撞擊地球該怎么辦?科學(xué)家設(shè)計(jì)了多種辦法:第一招是使用核武器將小行星炸成碎塊,但碎塊可能還會(huì)飛向地球;第二招是用飛行器拖走,不過(guò)這對(duì)大尺寸小行星無(wú)能為力;第三招是利用激光燒蝕小行星,這一技術(shù)尚待發(fā)展;第四招是利用萬(wàn)有引力,緩慢牽引改變小行星軌道,不過(guò)需要較長(zhǎng)預(yù)警時(shí)間;第五招是目前技術(shù)最成熟可行的手段——?jiǎng)幽茏矒?,即利用飛行器撞擊小行星,不用直接摧毀小行星(目前也遠(yuǎn)沒(méi)有這個(gè)能力),僅需施加外力將它稍微推離威脅地球的軌道,即可讓萬(wàn)有引力帶著它錯(cuò)過(guò)與地球的撞擊。
衛(wèi)星捕捉到美國(guó)航天器撞擊瞬間的畫(huà)面。圖源:央視新聞
2022年,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)成功實(shí)施了“雙小行星重定向測(cè)試”任務(wù),通過(guò)把速度極快的航天器撞擊小行星,成功偏轉(zhuǎn)了小行星軌道。當(dāng)年9月27日,在太空中長(zhǎng)途奔襲了308天的NASA航天器“飛鏢”(DART,雙小行星改道測(cè)試航天器)順利撞上一顆小行星。
當(dāng)時(shí),科學(xué)家們?yōu)榇舜螌?shí)驗(yàn)選擇的目標(biāo)是一個(gè)對(duì)于地球并無(wú)威脅的雙星系統(tǒng)。這樣選是因?yàn)椋瑢?shí)驗(yàn)對(duì)象無(wú)論怎么受到撞擊,在未來(lái)幾百年都不可能撞擊地球,防止人類(lèi)弄巧成拙,把一顆本來(lái)無(wú)害的小行星導(dǎo)向地球。
這是人類(lèi)首次進(jìn)行主動(dòng)防御小行星的實(shí)驗(yàn),此次撞擊實(shí)驗(yàn)取得了成功。美國(guó)《行星科學(xué)雜志》今年8月21日發(fā)布的一項(xiàng)新研究顯示,美國(guó)航天局2022年實(shí)施的航天器撞擊近地小行星試驗(yàn),導(dǎo)致小行星表面噴射出了約1.6萬(wàn)噸塵埃與巖石,其對(duì)小行星產(chǎn)生的推力遠(yuǎn)超航天器本身的撞擊力,從而改變了這顆近地小行星的運(yùn)行軌道。
當(dāng)時(shí)上海天文臺(tái)利用分布全球的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接力觀測(cè),拍攝到了此次撞擊前后的近百幅觀測(cè)圖像,并通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),此次撞擊產(chǎn)生的飛濺物被太陽(yáng)照亮,導(dǎo)致小行星亮度增加約10倍。
左上為觀測(cè)時(shí)刻,圓形亮斑為觀測(cè)到的雙星系統(tǒng),可以看出撞擊后亮度發(fā)生明顯增強(qiáng)。圖片來(lái)源:上海天文臺(tái)
中國(guó)已初選出十顆備選小行星
2023年4月,在中國(guó)航天大會(huì)的首屆深空探測(cè)(天都)國(guó)際會(huì)議上,中國(guó)深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室面向全球發(fā)布了近地小行星防御空間處置方案的征集令,征集的內(nèi)容包括首次任務(wù)的名稱和標(biāo)識(shí),針對(duì)2030年前首次任務(wù)的總體方案,以及展望2030年至2045年,設(shè)計(jì)3-5次近地小行星防御任務(wù),形成規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。
中國(guó)深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)研究院院長(zhǎng)陳琦透露,針對(duì)我國(guó)首次近地小行星防御演示驗(yàn)證任務(wù),已通過(guò)比較直徑、半長(zhǎng)軸、軌道傾角等參數(shù),初選出了一些備選目標(biāo)。初選出的2015xf261、2019ov3、2020bd11等十顆小行星中直徑最大的為89米,最小的為24.3米。
在當(dāng)年的中國(guó)航天大會(huì)上,天問(wèn)三號(hào)任務(wù)總設(shè)計(jì)師劉繼忠在發(fā)言中透露,我國(guó)首次小行星防御任務(wù)的目標(biāo)是50米級(jí)小行星,并對(duì)動(dòng)能撞擊效果在軌直接評(píng)估。
2024年,中國(guó)國(guó)家航天局發(fā)布了中國(guó)首次近地小行星防御任務(wù)方案與國(guó)際合作設(shè)想,計(jì)劃實(shí)施首個(gè)近地小行星防御任務(wù)。按照設(shè)想,科學(xué)家將在距離地球1000萬(wàn)公里左右的地方,對(duì)迎面來(lái)的小天體發(fā)射動(dòng)能撞擊器,以動(dòng)能改變小天體的軌道。計(jì)劃能夠改變3到5厘米的軌道,讓小行星至少幾十年到100年之內(nèi)不能夠再撞擊地球。近日,中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁接受采訪時(shí)也表示:“我們發(fā)射這個(gè)動(dòng)能撞擊器,在1000萬(wàn)公里左右的地方交會(huì),爭(zhēng)取能夠產(chǎn)生極大的動(dòng)能,改變這個(gè)小天體的軌道。撞擊過(guò)后要讓它至少100年之內(nèi)不能再撞擊地球?!?/p>
吳偉仁介紹中國(guó)小行星防御任務(wù)的情況。 視頻截圖
一場(chǎng)精密的“太空臺(tái)球”:母船發(fā)射撞擊器
據(jù)悉,中國(guó)的小行星撞擊計(jì)劃正式名稱為小行星防御任務(wù)。其核心任務(wù)之一,是在不久的將來(lái),通過(guò)發(fā)射一個(gè)組合航天器,對(duì)一顆近地小行星進(jìn)行動(dòng)能撞擊,并隨后對(duì)撞擊效果進(jìn)行近距離觀測(cè)和評(píng)估。
吳偉仁介紹,這項(xiàng)任務(wù)擬采用“伴飛+撞擊+伴飛”的任務(wù)模式,發(fā)射觀測(cè)器和撞擊器。觀測(cè)器先期抵達(dá)對(duì)目標(biāo)小行星進(jìn)行抵近觀測(cè),獲取其詳細(xì)特性參數(shù),然后撞擊器對(duì)小行星實(shí)施高速撞擊。撞擊全過(guò)程將通過(guò)天地聯(lián)合方式,采用近距離高速成像等技術(shù),開(kāi)展小行星軌道、形貌和濺射物變化觀測(cè),準(zhǔn)確評(píng)估撞擊效果。
“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是主動(dòng)撞一下,然后看看撞得怎么樣?!敝袊?guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)光學(xué)天文技術(shù)研究室研究員唐正宏說(shuō),這個(gè)過(guò)程可以類(lèi)比為一場(chǎng)精密的“太空臺(tái)球”:先發(fā)射一個(gè)航天器(母船),它攜帶一個(gè)撞擊器。在接近目標(biāo)小行星時(shí),撞擊器與母船分離,并以極高的速度(約每秒6.5公里)撞向小行星。然后母船會(huì)迅速變軌,從安全距離飛越撞擊現(xiàn)場(chǎng),利用其攜帶的相機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備,詳細(xì)記錄撞擊瞬間產(chǎn)生的碎片、塵埃,最關(guān)鍵的任務(wù)是——測(cè)量小行星軌道被改變了多少。
有人擔(dān)心,撞擊小行星的碎片是否會(huì)掉落到地球?“不會(huì)的。小行星的碎片距離地球有千萬(wàn)公里遠(yuǎn),且主要受太陽(yáng)的萬(wàn)有引力影響,所以落到地球上的概率極低?!碧普暾f(shuō)。
2022年9月27日,美國(guó)航空航天局(NASA)利用軌道航天器(DART),對(duì)一顆近地小行星實(shí)施動(dòng)能撞擊,這是人類(lèi)歷史上首次嘗試通過(guò)動(dòng)能撞擊改變小行星的運(yùn)行軌道。我國(guó)將實(shí)施的小行星動(dòng)能撞擊驗(yàn)證,與美國(guó)方案有何不同?
“中國(guó)的任務(wù)可以看作是一次補(bǔ)充和升級(jí)?!碧普暾f(shuō),NASA的目標(biāo)是一個(gè)雙小行星系統(tǒng),通過(guò)測(cè)量其軌道周期變化來(lái)評(píng)估撞擊效果。而中國(guó)的目標(biāo)是一顆單獨(dú)的近地小行星,將直接測(cè)量其繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道的變化,技術(shù)挑戰(zhàn)不同。
另外,DART撞擊過(guò)程中的各種表現(xiàn)依賴地面望遠(yuǎn)鏡和與其伴飛的一顆小型立方星進(jìn)行觀測(cè)。中國(guó)則是由主航天器自身攜帶的功能強(qiáng)大的多個(gè)載荷進(jìn)行近距離、長(zhǎng)時(shí)間的精細(xì)觀測(cè),有望獲得更詳盡的撞擊過(guò)程數(shù)據(jù)。
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