地球從未脫離小行星撞擊的威脅。在大部分人印象里，拯救地球通常是好萊塢大片里外國科學家的事。可這一次，將人類從這種危機中解救出來的，可能是中國科學家。

圖片來源：Pixabay

　　撰文 武大可

　　編輯 魏瀟

　　小行星 101955 Bennu 是一塊平均直徑 500 米的巨大巖石，自 1999 年進入天文學家們的視野起，就得到了密切的關注——它有兩千多分之一的概率在下個世紀撞擊地球。撞擊釋放的能量將達到 1200 兆噸 TNT 當量，是“小男孩”原子彈的 80，000 倍，足以對地球環(huán)境造成不可挽回的打擊，為人類社會帶來滅頂之災。

小行星 Bennu 的直徑甚至超過了帝國大廈和埃菲爾鐵塔的高度。圖片來源：NASA/University of Arizona

　　科學家們顯然不會坐以待斃，把人類的命運交給兩千分之一概率的天意。可惜半個世紀以來的各種危地小行星（可能撞擊地球的近地小行星）偏轉或攔截方案，要么是難度和成本過高而難以實現(xiàn)，要么是效率過低，不能確保及時把小行星推離原有軌道。而我國中科院國家空間科學中心?2021 年 6 月發(fā)表在期刊《伊卡洛斯》（Icarus）上的“末級擊石”組合動能沖擊方案（Assembled Kinetic Impactor， AKI），通過使用 20 多枚長征五號火箭，能夠將 Bennu 推離軌道，避開地球。“末級擊石”終于把充分具有效率和可行性的行星防御方案帶到了人們面前，成為了眼下從隨時可能面臨的小行星撞擊危機中拯救人類的新希望。

　　無處不在的威脅

　　6500 萬年前使恐龍滅絕的?？颂K魯伯（Chicxulub）撞擊并非是小行星撞擊導致大滅絕的孤例，規(guī)模不同的大型撞擊在百萬年尺度上常有發(fā)生。直徑百米內的小行星撞擊更是不計其數(shù)?？紤]到地球歷史上曾發(fā)生的撞擊事件規(guī)模之大和現(xiàn)代不同規(guī)模撞擊事件的頻率之高，人類隨時可能面臨小行星撞擊的滅頂之災的說法不完全是危言聳聽。美國近地天體和行星防御非營利組織?B612 基金會在?2018 年的報告中稱：“我們? 100% 確定會被毀滅性小行星擊中，不能 100% 確定的只是它何時發(fā)生。”物理學家史蒂芬·霍金（Steven Hawking）在他的最后一本著作《對宏大問題的簡短回答》（Brief Answers to the Big Questions）中也表示，地球面臨的最大威脅來自于小行星撞擊。

NEOWISE 2013 - 2017 年的監(jiān)測結果可視化。?圖片來源：NASA/JPL-Caltech/PSI

　　科學家們對危地小行星的擔憂由來已久，自 1992 年美國航空航天局（NASA）主辦近地天體攔截研討會起，相關的風險監(jiān)測和攔截偏轉方案研究就在不斷推進。2013 年啟動的近地天體寬視場紅外測量探測器（NEOWISE）項目就開始對全太陽系的小行星進行監(jiān)測，在主要任務期間發(fā)現(xiàn)了超過 15 萬顆小行星，其中包含 1850 顆軌道可能與地球軌道相交，存在撞擊風險的近地天體（Near Earth Object）。根據(jù) NASA 的統(tǒng)計，截止 2021 年 7 月 19 日，已知的近地小行星數(shù)量已達 26，234 個。

1994 - 2003 年有記錄的直徑 1-20 米小行星撞擊頻率圖，共計 556 起。圖片來源：NASA/Planetary Science

　　防御難題

　　認識到太陽系中潛伏著如此之多的小行星殺手后，科學家們也開始提出多種類型的可能攔截偏轉方案：

　　· 操作一艘重型航天器靠近小行星，充當“引力牽引車”，用數(shù)十年的時間影響小行星的方向。

　　· 從小型航天器發(fā)射激光以蒸發(fā)小行星上的物質，物質會飛離表面并產生相反方向的推動力。

　　· 在地面或小行星附近的空間設置鏡面以聚焦太陽光，照射小行星表面使物質脫落，從而推動小行星。

　　· 如果小行星足夠堅固，就能令設備在其表面著陸，利用火箭推動它。

　　· 給小行星涂漆以改變其熱特性，這樣陽光就會改變它的方向。

　　· 在小行星附近引爆核武器，傳遞能量并將其推離軌道。

　　· 在小行星撞擊地球之前用航天器撞擊它。

　　若要通過前幾種方案完成小行星的偏轉，需要的時間都需以十年為單位計算，效率過低，甚至比可能存在的超快小行星從發(fā)現(xiàn)到撞擊前所留給人類的時間還要短。核爆方案又有潛在風險，違反了聯(lián)合國和平利用外層空間委員會（COPUOS）禁止在太空部署武器的規(guī)定。目前看來唯一可行的方案只剩下了最后一個：動能沖擊（Kinetic Impactor）。人類已經(jīng)掌握了向太陽系內發(fā)射航天器的能力，雖然單個航天器沖擊小行星所能傳遞的動量不多，但一個不夠，可以發(fā)射兩個，還不夠，就十個。

　　NASA 在 2018 年也確實提出過這種樸素的具體構想——超高速小行星應急響應任務（HAMMER）——假想目標同樣是小行星 Bennu。NASA 的模擬表明，在 Bennu 與地球相撞之前，進行 34 - 53 次 HAMMER 發(fā)射，每次使用一枚 8 噸重的航天器進行撞擊，就能確保 Bennu 軌道避開地球。這一假想任務成本頗高，需要的大量發(fā)射次數(shù)也使任務周期難以壓縮，但若能成功實施，確實可以換來地球和人類的安全。

　　方案看起來的確可行，但正如狙擊手是要靠子彈喂出來的，背負拯救人類使命的小行星偏轉計劃如果未經(jīng)演習，誰也不敢保證它能在真正面臨撞擊風險之時“一發(fā)入魂”。演習不能省，但當演習的“軍費”數(shù)額擺在面前的時候，人們或許就打起了退堂鼓。近些年，NASA 和五角大樓之間就在誰來承擔這類研發(fā)任務成本的問題上踢起了皮球。NASA 認為雖然這項任務的主要工作是研發(fā)，但本質上并非為科學探索服務，而是一項防御任務，因此希望看到軍方來領導工作。但軍方卻將有關問題推回給了 NASA。

　　直接動能沖擊的測試任務最終未能上馬。目前唯一有確切計劃的籌備中項目是 NASA 與歐洲航天局（ESA）合作耗資 2.5 億美元（約 16 億人民幣）的雙小行星重定向測試（DART），計劃于 2021 年底或 2022 年初發(fā)射，撞擊位于地球和火星之間的雙小行星系統(tǒng)欒大星系統(tǒng)（Didymos System，也稱迪迪莫斯雙小行星系統(tǒng)）中直徑約為 160 米的衛(wèi)星欒小星，改變其軌道周期，進而改變系統(tǒng)中的引力作用，以此間接偏轉欒大星。這一任務只需一次發(fā)射，航天器質量也僅為 610 千克。

　DART 任務示意圖。圖片來源：NASA/Johns Hopkins Applied Physics Lab

　　有理由相信 DART 構想的可行性和有效性。但這樣的方案僅適用于雙小行星系統(tǒng)，對于 Bennu 這類一般的孤立小行星卻無效。面對 Bennu 和更多潛在危地小行星的撞擊威脅，人類又該何去何從呢？

　　末級擊石

　　這一次，肩負起拯救人類的使命的或許是中國航天科學家和工程師們。中科院國家空間科學中心提出了改良的航天器末級組合動能沖擊方案（AKI）“末級擊石”：有別于傳統(tǒng)動能沖擊（CKI）方案，航天器進入深空逃逸軌道后，火箭末級與航天器不實施星箭分離，由航天器操控末級組合體撞向危地小行星。這能充分利用火箭末級的剩余重量，提升撞擊小行星的動量，進而提升小行星軌道偏轉能力。?

“末級擊石”行星防御任務方案示意 圖片來源：中科院空間科研中心

　　團隊設計了使用長征五號火箭（CZ-5）發(fā)射“末級擊石”任務的方案，計算模擬顯示，單發(fā) CZ-5 AKI 的小行星偏轉效果超過了 CZ-5 CKI 的 3 倍。在十年內偏轉直徑 140 米的小行星軌道的任務中，末級擊石可將偏轉距離由不足一倍地球半徑提升至一倍地球半徑以上，為十年預警時間條件下直徑 140 米級危地小行星的偏轉提供了一種潛在高效技術手段。而在直徑約 500 米的 Bennu 小行星轉向任務中，如果使用末級擊石策略，只需要發(fā)射 20 多枚 CZ-5 就足以完成偏轉，令其軌道避開地球，遠低于 HAMMER 計劃所需的 34-53 次發(fā)射。

AKI 末級擊石與 CKI 的防御效果對比。圖片來源：論文截圖（未經(jīng)同行評議的 arXiv 版本，與正式發(fā)表版本的內容基本一致）

　　《伊卡洛斯》的審稿人稱這一研究是“有趣、簡單、新穎的”。作為目前唯一有望做到短期預警條件下的 140 米級危地小行星防御方案，末級擊石的確簡單。沒有人希望在有生之年遭遇小行星撞向地球，但若這樣的災難真的在不遠的未來發(fā)生，拯救世界的或許將會是中國科學家。

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