防御小行星撞擊地球準(zhǔn)備好了嗎

當(dāng)小行星撞擊地球，人類怎么辦？這是許多科幻電影探討的終極生存命題。

“我也看了電影《流浪地球》，藝術(shù)家充分發(fā)揮了想象力，但一些情節(jié)還是有科學(xué)根據(jù)的。”中國工程院院士、中國探月工程總設(shè)計師吳偉仁日前在參加香山科學(xué)會議期間接受科技日報記者采訪時說。

科幻與現(xiàn)實(shí)之間的邊界，并非壁壘森嚴(yán)。今年初，一顆編號為“2024 YR4”的小行星因撞擊地球的可能性一度引發(fā)全球關(guān)注。雖然它最終被確認(rèn)為虛驚一場，但探討近地小行星防御絕非杞人憂天。

吳偉仁等多位專家在香山科學(xué)會議第776次學(xué)術(shù)討論會上呼吁，我國應(yīng)推動小行星防御構(gòu)想落地、落實(shí)，盡快實(shí)施在軌處置演示驗(yàn)證任務(wù)。

全球積極應(yīng)對潛在威脅

約6500萬年前，一顆直徑約10千米的小行星猛烈撞擊如今的墨西哥灣附近，引發(fā)全球性氣候?yàn)?zāi)難，改寫了地球生物演化史；1908年，一顆直徑約50米的小行星在西伯利亞通古斯河上空爆炸，焚毀2000多平方公里森林；2013年，俄羅斯車?yán)镅刨e斯克上空一顆直徑約17米的小行星爆炸，沖擊波導(dǎo)致近1500人受傷……這些罕見卻致命的事件警示人類，近地小行星撞擊地球是人類社會共同面臨的潛在威脅與長期挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心主任王赤說，人類已發(fā)現(xiàn)3.7萬余顆近地小行星。根據(jù)近地小行星的理論群體模型，目前人類已對95%以上直徑達(dá)1000米級的近地小行星完成編目工作。然而，仍有大量中小尺寸的近地小行星尚未被編目，它們一旦撞擊地球，可能引發(fā)區(qū)域級災(zāi)難。

根據(jù)近地小行星的理論群體模型，目前人類已對95%以上直徑達(dá)1000米級的近地小行星完成編目工作。然而，仍有大量中小尺寸的近地小行星尚未被編目，它們一旦撞擊地球，可能引發(fā)區(qū)域級災(zāi)難。

科學(xué)界將距離地球軌道最小距離為0.05個天文單位（約750萬千米）、直徑大于等于140米的小行星認(rèn)定為潛在威脅小行星，目前已發(fā)現(xiàn)2400余顆這樣的小行星。

防患于未然，國際社會已采取行動。2014年，聯(lián)合國和平利用外層空間委員會框架下成立了國際小行星預(yù)警網(wǎng)、空間任務(wù)規(guī)劃咨詢小組，積極應(yīng)對小行星威脅。美國、俄羅斯和歐洲等國家和地區(qū)紛紛成立專門機(jī)構(gòu)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)組織本國和本地區(qū)小行星撞擊風(fēng)險應(yīng)對工作。

作為航天大國，中國在星際守護(hù)中不會缺席。《2021中國的航天》白皮書提出，論證建設(shè)近地小天體防御系統(tǒng)。在2024年召開的第二屆深空探測（天都）國際會議上，中國首次近地小行星防御任務(wù)方案設(shè)想發(fā)布。

動能撞擊是最現(xiàn)實(shí)手段

應(yīng)對小行星這一危險的“天外來客”，涉及監(jiān)測預(yù)警、災(zāi)害評估、在軌處置等諸多環(huán)節(jié)。此次香山科學(xué)會議上，如何對小行星進(jìn)行在軌處置成為焦點(diǎn)話題。

吳偉仁介紹，在軌處置分為3種方式。一是動能撞擊，通過直接撞擊使小行星變軌或破碎。這種方式適用于尺寸較小且預(yù)警時間較短，或尺寸較大且預(yù)警時間較長的小行星。二是核爆炸，適用于尺寸較大且預(yù)警時間較短的小行星。三是長期作用力，通過接觸式或非接觸式作用力使小行星變軌，包括引力牽引、激光燒蝕、離子束牽引、質(zhì)量驅(qū)動、太陽光壓等方式。

其中，動能撞擊技術(shù)成熟度高、作用效果明顯、無需長期的軌道操作。“動能撞擊是當(dāng)前應(yīng)對中小尺寸近地小行星最現(xiàn)實(shí)、可行的在軌處置手段。”王赤說。

2022年9月，美國“雙小行星重定向測試（DART）”任務(wù)成功完成一次動能撞擊在軌處置演示。航天器在距離地球約1100萬公里處，以每秒6.1千米的速度撞擊近地雙小行星系統(tǒng)的衛(wèi)星迪莫弗斯，使其繞母星公轉(zhuǎn)周期縮短33分鐘。

開展動能撞擊在軌處置演示任務(wù)，也是我國科學(xué)家努力的方向。王赤建議，我國首次小行星防御在軌驗(yàn)證任務(wù)可以通過動能撞擊的方式，改變一顆直徑約30米近地小行星的軌道，并通過地基與天基設(shè)備的聯(lián)合觀測，對撞擊效果進(jìn)行全面評估。

確保“撞得準(zhǔn)”“推得動”

談及對動能撞擊在軌處置演示任務(wù)的設(shè)想，吳偉仁提出12個字：撞得準(zhǔn)、推得動、評得出、說得清。

這12字背后，有一系列科學(xué)與工程技術(shù)問題亟待解答。

如何撞得準(zhǔn)？這要求在撞擊前，能精準(zhǔn)測量確定目標(biāo)小行星的軌道信息及三維形貌信息。中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員季江徽說，天地基監(jiān)測在這方面具有不可替代的作用。他建議，通過地基觀測站網(wǎng)優(yōu)化和天基衛(wèi)星組網(wǎng)協(xié)同，構(gòu)建覆蓋全天的近地天體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，提升小行星軌道預(yù)報與撞擊風(fēng)險評估能力。

如何推得動？這需要研究成坑、濺射、解體等撞擊效應(yīng)及動量傳遞規(guī)律。中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院空間與行星科學(xué)系教授李薦揚(yáng)分析，目標(biāo)的應(yīng)力強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、孔隙度是影響撞擊動量轉(zhuǎn)移的主導(dǎo)因素，目標(biāo)的整體形狀、撞擊點(diǎn)地形、巖石比例和分布等也會影響撞擊任務(wù)的完成情況。要實(shí)現(xiàn)動量轉(zhuǎn)移效率以及軌道偏移效率最大化，需考慮撞擊能量、時機(jī)、撞擊點(diǎn)等復(fù)雜因素。

天問二號在暗弱小行星目標(biāo)捕獲與自主交會、弱引力小行星近距離探測自主導(dǎo)航、弱引力小天體表面可靠附著與固定、在軌目標(biāo)特性反演與三維重構(gòu)、復(fù)雜任務(wù)模式的探測器自主管理等方面突破了小天體探測主要關(guān)鍵技術(shù)，將為后續(xù)小行星防御任務(wù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

如何評得出？這要求在撞擊后，能獲取撞擊坑的三維形貌信息，以及精確測量確定小行星的精密軌道信息。而面對小天體快速自旋、形貌紋理相似等特點(diǎn)，要獲取這些信息并非易事。北京控制工程研究所研究員黃翔宇認(rèn)為，小天體近距離探測智能控制技術(shù)將發(fā)揮重要作用。隨著小天體近距離探測任務(wù)場景不斷增多，導(dǎo)航和控制技術(shù)正朝著更高自主性、智能化及多任務(wù)適應(yīng)性的方向發(fā)展。智能協(xié)同感知、智能融合導(dǎo)航、智能感知與控制決策一體化等技術(shù)，是未來可能的發(fā)展方向。

如何說得清？王赤說，這要求科學(xué)評估撞擊后可能的破碎、解體風(fēng)險，以及可能的長期軌道演化風(fēng)險，在這方面需要積極開展小行星防御領(lǐng)域前沿科學(xué)問題研究的國際合作。吳偉仁也建議，大力推進(jìn)小行星防御國際交流合作，聯(lián)合構(gòu)建國際天地一體協(xié)同監(jiān)測網(wǎng)。“我們要做到任務(wù)聯(lián)合實(shí)施、產(chǎn)品聯(lián)合研制、科學(xué)載荷聯(lián)合搭載、任務(wù)數(shù)據(jù)共享。”吳偉仁說，“這是全人類共同的事業(yè)。”

天問二號突破關(guān)鍵技術(shù)

縱然面臨諸多挑戰(zhàn)，但構(gòu)建高水平中國小行星防御體系的夢想正在照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

前不久，中國行星探測工程天問二號任務(wù)探測器運(yùn)抵西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，計劃于今年上半年實(shí)施發(fā)射。按照計劃，天問二號任務(wù)將通過一次發(fā)射，實(shí)施近地小行星2016 HO3伴飛、取樣、返回和主帶彗星311P伴飛探測等多項(xiàng)任務(wù)。

來自中國航天科技集團(tuán)有限公司的李飛介紹，天問二號在暗弱小行星目標(biāo)捕獲與自主交會、弱引力小行星近距離探測自主導(dǎo)航、弱引力小天體表面可靠附著與固定、在軌目標(biāo)特性反演與三維重構(gòu)、復(fù)雜任務(wù)模式的探測器自主管理等方面突破了小天體探測主要關(guān)鍵技術(shù)，將為后續(xù)小行星防御任務(wù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

與會專家呼吁，盡快組織國內(nèi)外專家論證后續(xù)任務(wù)，啟動小行星防御國家重大工程，加強(qiáng)近地小行星研究。這不僅關(guān)乎人類生存安全與文明存續(xù)的底線，也關(guān)涉太陽系起源等重大科學(xué)問題的答案。季江徽說，小行星族群的形成與主帶小行星間的碰撞歷史有密切關(guān)系，可對太陽系行星系統(tǒng)的形成歷史提供重要而可靠的約束。利用軌道力學(xué)特征與物質(zhì)成分線索來識別小行星族群并確定其年齡是當(dāng)前研究的重要方向，而探索近地小行星的起源與演化則是一個值得關(guān)注的關(guān)鍵科學(xué)問題。

守護(hù)腳下的土地，仰望頭頂?shù)男强眨袊茖W(xué)家一直在路上。

◎ 來源|科技日報