中國將組建近地小行星防御系統(tǒng)，我們?yōu)槭裁匆P(guān)注小行星？

李明子

在長篇科幻小說《三體》中，人類為抵抗外星文明種群三體人的入侵，成立了行星防御理事會，這個組織后來演變?yōu)樘栂蹬炾?duì)的最高指揮機(jī)構(gòu)。可惜由于地球與三體文明的科技代差，太陽系艦隊(duì)幾乎全軍覆沒，地球陷入混亂。

現(xiàn)實(shí)中，2021年10月23日，第一屆全國行星防御大會在廣西桂林召開。盡管在距離太陽系4光年外真的發(fā)現(xiàn)了半人馬座α星的三體星系，但人類目前對遙遠(yuǎn)的系外行星還知之甚少。全國行星防御大會的研討對象是潛在危險(xiǎn)更為緊迫的近地小行星。

僅2021年，近地小行星飛掠事件就發(fā)生了1074次，科學(xué)家觀測到有21顆小行星進(jìn)入大氣層。小行星飛行速度快，撞擊能量大，給人類造成了極大威脅。

今年4月24日中國航天日當(dāng)天，國家航天局副局長吳艷華在媒體上表示，中國將著手組建近地小行星防御系統(tǒng)，共同應(yīng)對近地小行星撞擊的威脅，為保護(hù)地球和人類安全貢獻(xiàn)中國力量。

2029年4月13日，在這個平凡的周五晚上，不出意外的話，一顆曾被視為“最具潛在危險(xiǎn)的小行星”阿波菲斯將從北京上空自東南向西南劃過。如果沒有烏云遮擋，肉眼便能看到，當(dāng)阿波菲斯再度回歸地平線時，其亮度將達(dá)到最高。

這顆直徑約為325米的小行星正以每秒30多千米的速度繞著太陽公轉(zhuǎn)，它的軌道半長軸小于1個天文單位（AU），即小于地球到太陽的平均距離。每當(dāng)這顆小行星接近和離開太陽時，其軌道都會與地球軌道相交。一旦發(fā)生撞擊，將釋放出相當(dāng)于15.3億噸TNT炸藥爆炸時的能量，威力相當(dāng)于“小男孩”原子彈爆炸時的十萬倍。

2004年6月19日，夏威夷大學(xué)在美國亞利桑那州基特峰國立天文臺的研究人員發(fā)現(xiàn)了這顆小行星，該研究由美國國家航空航天局（NASA）贊助。隨后半年，科學(xué)家對這顆小行星進(jìn)行了近200次觀測。經(jīng)計(jì)算，這顆小行星有1/450的可能性將于2029年撞擊地球，它也因此得名“阿波菲斯”（古埃及黑暗、混亂和破壞之神），它的中文名稱更為言簡意賅——?dú)裥恰?/p>

后經(jīng)反復(fù)計(jì)算，NASA在2004年12月28日宣布，排除這顆小行星與地球相撞的可能。不過，阿波菲斯飛越地球時，離地表最近距離僅有3.84萬千米，不到地月距離的1/10。

小行星，指的是沿橢圓軌道圍繞太陽公轉(zhuǎn)的自然形成的固態(tài)小天體。天文學(xué)家認(rèn)為，它們由太陽系形成過程中沒有形成行星的殘留物質(zhì)演變而來，有人干脆稱小行星為“太陽系碎片”。

至于小行星的大小，國際上并沒有統(tǒng)一定義。NASA將小行星尺寸下限定為“直徑1米”，也有觀點(diǎn)認(rèn)為最小直徑為10米。北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新解釋說，因?yàn)橹挥兄睆?0米以上的小天體在進(jìn)入地球大氣層時才不會被燃燒殆盡。截至1990年，直徑約945千米的谷神星被認(rèn)為是太陽系最大的小行星，不過它現(xiàn)在被重新定義為“太陽系中最小的矮行星”。

如果將太陽系八大行星的公轉(zhuǎn)軌道畫成同心圓，絕大多數(shù)小行星分布在火星和木星軌道之間，這個區(qū)域也被稱為主小行星帶，谷神星就是其中最亮的一顆。目前有98.5%的小行星在主帶被發(fā)現(xiàn)，其中已被編號的就有120437顆。

而對地球有撞擊威脅的主要是近地小行星，即公轉(zhuǎn)軌道與地球軌道相交或距離非常近的小行星。

當(dāng)小行星與地球的最小軌道交會距離小于等于0.05AU，絕對星等小于等于22時，便被視為“對地球有潛在危險(xiǎn)的小行星（PHAs）”。絕對星等是用來比較天體不受距離影響的光度的單位，絕對星等值越小，星星就越亮，通常體積也越大，一旦發(fā)生撞擊，造成的危害也就越大。

這些小行星在受到引力擾動或相互撞擊時，大概率會偏離原有軌道，當(dāng)其接近地球軌道時，很可能與地球發(fā)生碰撞，地球表面的隕石坑便是有力證明。大約6550萬年前，包括恐龍?jiān)趦?nèi)的絕大部分地球動植物滅絕，其中一種原因猜想便是“隕石碰撞說”。

“時至今日，小行星撞擊地球的危險(xiǎn)仍然存在。”焦維新告訴《中國新聞周刊》，根據(jù)理論分析，直徑在100米左右的小行星，目前觀測到的數(shù)量只占總量20%～30%，尺寸更小的小行星，觀測到的數(shù)量占比更低，也就是說，還有海量小天體尚未被發(fā)現(xiàn)，其中一部分很可能在被發(fā)現(xiàn)前就已經(jīng)撞向地球。

事實(shí)也是如此，絕大多數(shù)小行星撞擊事件都是在發(fā)生后才被人類所察覺。1908年6月30日上午7時許，一顆直徑60～190米的小行星在距離地面6千米～10千米高的上空爆炸。爆炸發(fā)生在俄羅斯通古斯河附近，威力當(dāng)于2000萬噸TNT炸藥。2000年1月18日凌晨，一顆流星體在加拿大育空地區(qū)首府白馬市上空26千米處爆炸，形成巨大火球，夜空被照亮如晝。

小行星2008 TC3是人類歷史上首顆被“預(yù)警”的撞地小行星，整個“撞擊”過程被地面設(shè)備追蹤長達(dá)20小時。2008年10月7日，2008 TC3由蘇丹北部上空進(jìn)入大氣層并發(fā)生燃燒，無數(shù)隕石碎片散落在廣闊的努比亞沙漠中。

“一顆直徑100～300米的小行星有高達(dá)1%的幾率將于2027年4月29日撞上地球。”200多名天文學(xué)家、工程師和應(yīng)急專家收到了這則虛擬預(yù)報(bào)。2019年5月，一場國際小行星撞擊模擬演練在美國華盛頓附近展開。

隨后，虛擬警示不斷升級，這塊太空巨石撞向地球的幾率上升到10%，最后是100%。模擬演練中，天文學(xué)家確認(rèn)該小行星將飛向美國西部城市丹佛，NASA于2021年啟動探測計(jì)劃，以近距離研究這顆“城市殺手”。

幾個握有先進(jìn)太空技術(shù)的國家和地區(qū)決定制造6個“動能撞擊器”，通過撞擊小行星來改變其軌道。五年后，3個撞擊器成功撞上小行星，導(dǎo)致其主體轉(zhuǎn)向，但撞擊造成的一塊較小碎片將繼續(xù)飛向地球，而留給人類的時間已經(jīng)不多了。

小行星碎片以每小時6.9萬公里的高速進(jìn)入大氣層，在美國紐約的中央公園上空15公里處爆炸，能力相當(dāng)于廣島核爆炸1000倍。這場演練最終以“曼哈頓地區(qū)被徹底夷為平地”的災(zāi)難告終。演練設(shè)計(jì)者、NASA工程師保羅·喬達(dá)斯坦言，殺手小行星在現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的可能性極低，但他希望，問題能通過演練暴露出來并得到討論。

從上世紀(jì)80年代開始，近地小行星逐漸成為學(xué)術(shù)領(lǐng)域和大眾媒體關(guān)注的熱點(diǎn)。

1983年，關(guān)于小行星、彗星和流行體的第一次國際會議在瑞典召開。次年，第一架帶有CCD感光元件的望遠(yuǎn)鏡開始用于觀測小行星和彗星。一組可供對比的數(shù)據(jù)是，到1980年1月，人類觀測到的近地小行星僅有53顆，而據(jù)NASA近地天體研究中心最新數(shù)據(jù)，截至2022年5月，已有28884顆近地小行星被發(fā)現(xiàn)，其中直徑超過140米的就有1萬多顆。

從1995年12月起，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開啟了近地小行星追蹤計(jì)劃（NEAT），該計(jì)劃獲美國空軍準(zhǔn)許可使用夏威夷海勒卡拉火山的GEODSS望遠(yuǎn)鏡，這臺闊視場望遠(yuǎn)鏡是空軍用來觀測人造衛(wèi)星的。2001年4月開始，美國加州帕洛馬山天文臺1.2米口徑的塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡也加入了這項(xiàng)計(jì)劃。

盡管NEAT被譽(yù)為“最成功的小行星搜索計(jì)劃之一”，但它仍無法覆蓋全天區(qū)。美國還有卡特琳娜巡天系統(tǒng)，由NASA資助，美國亞利桑那大學(xué)月球和行星實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)開發(fā)和運(yùn)營。此外，歐洲天文臺、歐南天文臺、俄羅斯天文臺等也有搜索小行星的項(xiàng)目或計(jì)劃。

2018年2月，中國作為正式成員加入了由聯(lián)合國批準(zhǔn)成立的國際小行星預(yù)警網(wǎng)（IAWN）。目前，紫金山天文臺在盱眙觀測站的近地天體望遠(yuǎn)鏡是中國貢獻(xiàn)共享數(shù)據(jù)的唯一主干設(shè)備，該望遠(yuǎn)鏡有效口徑為1.04米，系國內(nèi)最大、國際第五的施密特型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，可觀測到直徑300米以上的近地小行星，目前已經(jīng)開展了“中國近地天體巡天”和“盱眙銀河系反銀心方向數(shù)字巡天”兩個大型巡天計(jì)劃。

從南京紫金山腳下沿棧道步行上山，30分鐘便可到達(dá)位于第三峰頂?shù)淖辖鹕教煳呐_。銀色圓頂?shù)奶煳挠^測室在連綿的山林中尤為顯眼，紫臺建成于1934年，標(biāo)志著中國現(xiàn)代天文學(xué)研究的開始。趙海斌1996年從南京大學(xué)天文系畢業(yè)后便進(jìn)入了紫臺，當(dāng)時觀測用的是紫金山上一架口徑40厘米的望遠(yuǎn)鏡，要在露天條件下控制望遠(yuǎn)鏡連續(xù)觀測幾個小時才能曝光出一張底片。那時，一百多公里外的盱眙觀測站還在建設(shè)中，距離近地天體望遠(yuǎn)鏡鏈接CCD探測系統(tǒng)并測試成功還要等10年。

今年元旦，盱眙觀測站近地天體望遠(yuǎn)鏡巡天時，其計(jì)算機(jī)自動捕捉程序發(fā)現(xiàn)了一顆亮度為20.6等的暗弱移動天體，視運(yùn)動速度為0.704度/天，比一般小行星快很多。“我們覺得它很特殊，拿到電子圖片后很快進(jìn)行了人工驗(yàn)證。”趙海斌現(xiàn)在是紫臺近地天體探測望遠(yuǎn)鏡團(tuán)組首席研究員，他告訴《中國新聞周刊》，這顆小行星直徑約43米，接近半個標(biāo)準(zhǔn)足球場大小，與地球的最小軌道交會距離小于地月距離，不過沒有撞擊危險(xiǎn)。該小行星很快獲得了國際小行星中心給予的編號2022 AA，成為2022年人類發(fā)現(xiàn)的第一顆近地小行星。

今年3月，趙海斌和中科院復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李明濤等人在國際行星科學(xué)領(lǐng)域期刊《伊卡洛斯》（Icarus）上發(fā)文，提出了一個天基監(jiān)測預(yù)警方案。文章提出，地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測存在盲區(qū)，建議將兩臺望遠(yuǎn)鏡部署在地球領(lǐng)航軌道上，當(dāng)有小行星從太陽一側(cè)接近地球時，便能及時發(fā)出警告。文章還計(jì)算出了望遠(yuǎn)鏡的初始軌道，并建立了發(fā)現(xiàn)和預(yù)警小行星的模型。

“天基與地基可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。”趙海斌介紹說，地基望遠(yuǎn)鏡雖然工作壽命長，但觀測時間和觀測天區(qū)有限，同時很容易受大氣條件制約，而這些短板恰好能被天基望遠(yuǎn)鏡所彌補(bǔ)，天基監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)全天候，且覆蓋天區(qū)大、觀測波段寬。

《中國工程科學(xué)》今年第二期雜志刊發(fā)的《近地小行星撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對戰(zhàn)略研究》一文指出，在地基觀測方面，盱眙觀測站近地天體望遠(yuǎn)鏡國際編目貢獻(xiàn)率為 0.13%，中國另有32臺口徑1米以上的望遠(yuǎn)鏡也可兼顧近地天體的監(jiān)測。而在天基觀測方面，中國還沒有在軌服役的天基監(jiān)測預(yù)警裝備。中國目前還沒有自行建立小行星數(shù)據(jù)庫。

一位從事天文探測多年的研究人員解釋說，在近地小行星觀測研究的國際平臺上，98%的貢獻(xiàn)來自美國，編目工作自然也由美國主導(dǎo)。未來中國積累了更多數(shù)據(jù)，才能談下一步的編目工作。

人類對小行星的探究早就不限于觀測。早在1996年1月，美國就成功發(fā)射了“近地小行星約會”探測器，經(jīng)過4年的飛行，成功進(jìn)入“愛神”小行星的軌道進(jìn)行繞飛，測量小行星的密度、化學(xué)成分和磁場，并傳回16萬張照片與大量珍貴材料。

2003年，日本將隼鳥號探測器送往小行星25143。經(jīng)過七年的宇宙旅行，隼鳥號穿越了近六十億公里，第一次將采集到的小行星樣本送回地球。樣本分析結(jié)果首次于2011年的“月球與行星科學(xué)大會”上對外公開，不過，在對巖石的檢測中，并未發(fā)現(xiàn)有機(jī)物、碳元素等與生命有關(guān)的物質(zhì)。小行星作為太陽系的“老壽星”，被科學(xué)家認(rèn)為是研究地球生命起源的絕佳樣本。

紫金山天文臺盱眙近地天體望遠(yuǎn)鏡觀測樓。圖/視覺中國

小行星圖塔蒂斯自1989年再次被發(fā)現(xiàn)起，便被劃進(jìn)了“對地球有潛在危險(xiǎn)”的范疇。目前，對圖塔蒂斯拍攝最清楚的圖像來自“嫦娥二號”月球探測器。

北京時間2012年12月13日16時30分，在距離地球約700萬千米的深空，“嫦娥二號”成功飛越圖塔蒂斯，最近距離僅為3.2千米，飛越拍攝歷時25分鐘，獲得了清晰圖像。這是中國第一次對小行星進(jìn)行探測，中國也成為繼美國、歐洲空間局和日本之后，第4個對小行星實(shí)施探測的國家或組織。

通過觀察、探測等活動獲得小行星的軌道和物理屬性等數(shù)據(jù)后，才能有針對性地實(shí)施“防御”措施。2019年那場模擬演習(xí)中的“小行星撞擊計(jì)劃”已經(jīng)開始實(shí)施。2021年11月，美國的“雙小行星重定向測試（DART）”航天器搭乘SpaceX公司獵鷹9號火箭發(fā)射升空，這是NASA開展的首次行星防御技術(shù)測試任務(wù)，旨在通過動能撞擊改變小行星軌道。

據(jù)焦維新介紹，動力撞擊偏轉(zhuǎn)軌道的方法是人類目前已經(jīng)掌握的技術(shù)，當(dāng)前需要解決的問題是“深入掌握撞擊對小行星軌道的效應(yīng)”，對撞擊器大小、速度、撞擊方向以及如何選擇撞擊位置進(jìn)行深入研究。此外，其他概念上的防御手段還包括給小行星安裝火箭、安裝太陽帆、伴飛飛船引力牽引、在小行星附近實(shí)施核彈爆炸等。

2020年，中科院復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李明濤和他的同事們發(fā)文介紹了“以石擊石”的防御概念。即在太空中捕獲百噸級重量的巖石，然后操控巖石變軌，撞擊對地球有威脅的小行星，最終將危地小行星偏轉(zhuǎn)出撞擊地球的軌道。

相比經(jīng)典的動能撞擊方法，“以石擊石”方案對危地小行星的偏轉(zhuǎn)距離可提升約一個數(shù)量級，為人類在短時間尺度應(yīng)對百米級直徑的潛在威脅小行星提供了新的思路。審稿人評價(jià)該文章提出了一個“新穎、有趣、高效防御危險(xiǎn)小行星的潛在方法”。

中國工程院院士、中國探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁等人在公開發(fā)表的《近地小行星撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對戰(zhàn)略研究》一文中指出，中國小行星防御領(lǐng)域研究起步較晚，2000年起依托國家國防科技工業(yè)局空間碎片專項(xiàng)科研，才陸續(xù)形成空間碎片監(jiān)測預(yù)警及清除等共性技術(shù)和設(shè)備，為開展近地小行星撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)積累。

在近地太空，漂浮著存量超過8000噸的巨大垃圾場。在所有太空垃圾中，近八成是失效衛(wèi)星，以及衛(wèi)星、火箭殘骸等碰撞、解體而形成的碎片。去年3月，《科學(xué)報(bào)告》上的一篇文章指出，近地軌道上直徑超過10厘米、可追蹤的碎片已超過12000個，如果統(tǒng)計(jì)直徑降至1厘米，碎片數(shù)目可能達(dá)上百萬個。

天氣預(yù)報(bào)、汽車導(dǎo)航、環(huán)境監(jiān)測，人類現(xiàn)代生活已經(jīng)時刻離不開衛(wèi)星。理論上講，在地球同步軌道上布設(shè)3顆通訊衛(wèi)星，即可實(shí)現(xiàn)除兩極外的全球通訊。然而，地球同步軌道只有一條，在赤道上方，這條軌道上的衛(wèi)星發(fā)射由國際電信聯(lián)盟進(jìn)行調(diào)解，以保持衛(wèi)星間有一定間隔，彼此不干擾，發(fā)射數(shù)量有限定。

于是，近地軌道成了衛(wèi)星爭相發(fā)射的“法外之地”，對發(fā)射數(shù)量或位置沒有定規(guī)。由于近地軌道頻率資源有限，各國“先占先得”。截至 2021 年 9 月，近地軌道共有約 7500 顆衛(wèi)星。

一位研究學(xué)者告訴《中國新聞周刊》，近地小行星防御系統(tǒng)實(shí)際上是空間防御系統(tǒng)，建成后對各方面空間活動都將有所兼顧，不論是科研探究，還是其他目的的太空活動。

去年10月召開的第一屆全國行星防御大會上，來自北京理工大學(xué)、 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、中國科學(xué)院紫金山天文臺等單位的學(xué)者分享了專題報(bào)告。有數(shù)據(jù)科技公司首席科技官介紹了《億級太空碎片實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)底層技術(shù)》，中科院國家空間科學(xué)中心碩士生分享了《動能撞擊偏轉(zhuǎn)小行星軌道在軌驗(yàn)證任務(wù)設(shè)計(jì)初探》。

“我們爭取在‘十四五’末期或者2025年、2026年實(shí)施一次對某一顆有威脅的小行星（的軌道改變技術(shù)實(shí)驗(yàn)）。”國家航天局副局長吳艷華今年4月接受媒體采訪時表示，既進(jìn)行抵近觀測，又實(shí)施就近撞擊，為未來人類真正應(yīng)對小行星地外天體對地球家園的威脅，真正作出中國貢獻(xiàn)。