如何在三步之內阻止殺手小行星

撞擊迫在眉睫。小行星逐漸顯現，鋸齒狀的巖石表面映入眼簾時，控制室內不時傳出人們緊張的喘息聲。然后，畫面突然停止了。

在馬里蘭州勞雷爾，約翰·霍普金斯大學應用物理實驗的任務控制室爆發出了歡呼聲。“我們命中目標了！”首席工程師一邊說，一邊和身旁的同事雙手擊掌。其他人也激動地揮舞雙臂慶祝勝利，興奮地互相拍拍彼此的背。

這是一次考驗，而人類通過了考驗，向保護地球免受小行星撞擊邁出了關鍵的一步。這次測試是NASA雙小行星改道測試（DART）任務的重頭戲，而我是本次任務的協調負責人。2022年9月26日，雙小行星改道測試航天器成功地撞擊了小行星Dimorphos，這顆小行星的直徑約150米，當時距離地球1100萬公里。這次碰撞輕微推動了這顆小行星，改變了它的軌道。

控制室里的歡呼聲是多年努力工作的結晶，證明了高爾夫球車大小的航天器產生的動力可以改變小行星未來的路徑。雙小行星改道測試與小行星Dimorphos的碰撞開啟了太空探索的新時代，在這個時代，行星防御技術初具雛形了。

如果某一天人們發現類似Dimorphos的小行星向地球飛來，像雙小行星改道測試這樣的攔截飛行器就可以提前幾年與該小行星碰撞以避免災難的發生。以下是其工作原理。

第一步：找到并追蹤近地小行星

避免小行星撞擊地球的第一步是了解太空中有哪些近地天體（NEO），即繞近地軌道運行的小行星。

位于智利的夏威夷大學小行星陸地撞擊持續報警系統（ATLAS）站點在這些近地天體觀測中起到了關鍵作用。2024年12月下旬，該系統在例行掃描太空時發現了一顆此前未知的近地天體。按照新天體的標準天文學慣例，這顆小行星被命名為2024 YR4。“2024 Y”代表2024年的第24個半月，即12月16日至31日。“R4”是其發現順序的編碼，在這種情況下，它代表了這是這一年最后幾周發現的第117個天體。

在此之前，人們已經發現了3000多個近地天體。最初，2024 YR4并不是很引人注目，它是一顆看起來很普通的小行星。不過，進一步的觀察很快表明，它并不普通。

在2025年的前幾周內，2024 YR4與地球相撞的可能性一直在提高。1月29日，天文學家計算出了它最終撞擊地球的概率為1.3%。由于撞擊概率超過了1%的閾值，2024 YR4觸發了國際小行星預警網絡（IAWN）向聯合國外層空間事務辦公發送有關潛在影響的警報。IAWN的網站上會公開發布這類警報。1月29日的通知評估了2024 YR4對地球上哪些地區帶來的風險最高（即風險走廊），以及如果小行星確實撞擊地球，預期會造成怎樣的損害。

平均而言，像2024 YR4這種估算直徑為60米的天體每隔1000年就會撞擊地球1次。這種小行星被視為“城市殺手”小行星，雖然它沒大到足以引發大規模滅絕，不會像直徑10公里的小行星那樣可能導致恐龍滅絕，但其仍然足以在距離撞擊地點約50公里處帶來致命傷害。幸運的是，到2月24日，全球望遠鏡的進一步觀測已經能夠非常精確地確定小行星的軌道，從而排除了它近期撞擊地球的可能性。

不過，小行星和地球的關系并不總是這種簡單而美好的結局。另一顆尺寸類似甚至更大的小行星最終將與地球相撞。（詳見圖表“近地天體威脅數據”。）

據估計，全球的太空機構對95%的直徑大于1公里的近地天體進行了追蹤。國際小行星預警網絡和相關的空間任務規劃咨詢小組（SMPAG）是監測這些工作的全球性協調機構。值得慶幸的是，以上機構所追蹤的巨型近地天體至少在未來100年內不會對地球造成影響。（與此同時，彗星撞擊地球的概率甚至比小行星撞擊地球的概率還要小）。

不過，我們只能追蹤已知的近地天體，還有很多潛伏著的城市殺手小行星未被發現，它們可能會對地球上的生命構成真正的威脅。在直徑50米范圍內的近地天體中，人類只發現了其中7%。發現的比例低并不是因為我們嘗試得不夠，而是因為發現小行星更難，較小的行星看起來比較大的行星更暗。

顯然，我們需要新的硬件。今年6月，智利的魯賓天文首次拍攝到了夜晚天空的圖像。未來幾年內，該天文臺將每隔幾個晚上就通過一個8.4米望遠鏡上的32億像素相機對整個可見天空進行勘察。在尋找近地天體的歷史上，沒有任何地面望遠鏡能夠媲美魯賓天文臺。除了近地天體搜索之外，NASA還將發射近地天體勘測者號（NEO Surveyor），這是一架紅外太空望遠鏡，計劃最早于2027年發射。預計這兩臺新設備將共同發現數千顆我們從未發現過的近地小行星。至于直徑140米或更大的天體，預計這兩臺望遠鏡發現的數量將占其整體數量的90%。

一旦發現近地天體，天文學家就會定期跟蹤它的軌道，并推斷未來一個世紀內它的軌跡。因此，任何已登記在案（例如收錄在NASA或歐洲航天局的數據庫中）的近地天體都很有可能會提前數十年發出預警。理想情況下，這將為開發和部署航天器留出充足的時間，以便我們更多地了解相關天體，并在必要時使這些“任性的”巖石改變軌跡。

第二步：近距離觀測小行星

假如小行星2024 YR4與地球相撞的可能性上升而非下降，那么撞擊預計將于2032年發生，因此這種情況特別令人擔憂。

小行星2024 YR4的軌道細長，因此2025年5月中旬之后，我們就無法從地球上觀測到它了。所以，在2028年6月左右它再次穿過我們在太陽系中的區域之前，即便是使用最靈敏的望遠鏡，我們也無法看到它。

在另一種情況下，我們將不得不等待3年才能發射偵察任務，以便近距離研究該天體。只有這樣，我們才會知道接下來要采取什么措施才能在4年后小行星注定要造訪地球之前，將其從地球旁引開。

實際上，2025年1月底和2月初，空間任務規劃咨詢小組就針對2024 YR4進行了初步討論。不過，由于這顆小行星與地球相撞的風險很快降至為零了，因此該小組沒有提出具體的建議。

雙小行星改道測試和NASA的“露西號”（Lucy）任務將為2028年的偵察任務奠定基礎，2023年，后者飛越了Dinkinesh小行星。近地天體偵察飛機只有寶貴的幾秒鐘來捕捉有關目標小行星的所需數據。當然，在小行星周圍的軌道上部署一艘偵察飛船可以實現更詳細的觀測。不過，很少有近地天體軌道能提供飛越之外的任何部署機會，尤其是在時間緊迫的情況下。

無論軌道如何，對于偵察任務而言，最重要的問題是這顆小行星是否真的會在2032年與地球相撞。如果會，它會撞到地球的什么地方？未來的撞擊位置可能會縮小到100公里以內。

該任務可能還會揭示一些復雜的情況。首先，我們可能會發現小行星實際上是多元的，約15%的近地天體被認為有二級天體繞行，也就是說，它們是有衛星的小行星。有些小行星實際上是一堆飛行的巖石。

確定小行星的質量則是另一個難題。我們需要知道它的質量才能計算它在撞擊時可能造成的傷害，以及使其改道所需的能量。

遺憾的是，測量城市殺手小行星質量的技術還不存在。雖然可以通過測定偵察飛船上的引力來測量直徑1公里左右的較大小行星的質量，但這種方法無法用于測量較小的小行星的質量。目前，我們能采用的最佳方式是通過近地天體飛行過程中的近距離成像來測量小行星的物理尺寸，并推斷其成分，從而估算其質量。

在執行偵察任務之前，我們需要及時解決這些挑戰，因為以高達每小時9萬公里速度飛行的航天器會飛過形狀可能不規則的天體或半籠罩在黑暗中的天體。因此，現在解決這些問題，而不是等到實際威脅出現時再解決，可能才是明智之舉。

第三步：改變小行星的方向

如果偵察任務確實得出結論，表明殺手小行星即將撞擊地球且撞擊日期更接近了，該怎么辦？以2024 YR4為例，對于地球上一個城市大小的地區而言，2032年12月22日可能會非常糟糕。即便這顆小行星墜入海洋，我們也需要借助地質和海洋計算機模型來預測海嘯的風險。如果相關風險很小，那么世界各國（地區）領導人和近地天體顧問可能會選擇讓小行星繼續運行。

另一方面，如果小行星正處于要撞擊人口稠密地區的軌道上，那么就有必要發射一架航天器來改變小行星的方向以防止撞擊。

在這方面，雙小行星改道測試的經驗很有啟發性。首先，航天器撞擊的沖擊力是有限的。目前尚不清楚雙小行星改道測試大小的偏轉航天器是否具備足夠的力量，能否推動類似2024 YR4的小行星避開地球。此外，撞擊小行星的航天器造成的小行星輕微位移有可能導致它墜入一個更糟糕的地方，從而造成更多的傷害。如果這顆小行星的結構只是松散地結合在一起，那么一次類似雙小行星改道測試的撞擊就可以能將其打碎成多個更小的碎石堆，其中一個或多個碎石堆可能仍會墜落在地球上。因此，任何偏轉任務都必須經過審慎考量。

其他小行星防御技術也值得考慮。雖然其他選擇尚未經過測試，但我們不妨在沒有任何危險的時候展開研究。

例如，如果我們有幾十年的準備時間，就可以派一艘交會航天器進入殺手小行星的軌道，慢慢地持續對其采取行動。研究人員建議使用這種航天器的重力將小行星拖離其軌道或使用離子束發動機逐漸推動它。在幾年或幾十年的時間里，航天器可以使用一種或兩種技術，讓小行星的軌道發生足夠大的變化，從而防止其撞擊地球。

不過，如果時間緊迫，選擇就少了很多。如果情況非常嚴重，一顆巨大的小行星可能會沖向人口稠密的地區，那么使用核爆炸來破壞小行星或使其改道則是一種可以考慮的方案。這也是1998年大片《世界末日》以及2021年網飛的諷刺劇《不要抬頭》的前提。雖然很荒謬，但在別無選擇的情況下也是值得考慮的。

當然，行星防御的整體理念是尋找方案，并盡可能提前準備。有一些國家目前已經在太空中執行行星防御任務，或計劃在未來幾年內執行相關任務。

2024年，歐洲航天局發射了其“赫拉”（Hera）任務，該任務將于2026年晚些時候與雙小行星改道測試撞擊的小行星系統會合，以調查2022年雙小行星改道測試偏轉測試的效果。日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的“隼鳥2號”（Hayabusa2#）將于2026年飛越近地天體，并在2031年與另一顆小行星會合。這是日本宇宙航空研究開發機構最初的“隼鳥2號”任務的下一個篇章，2020年，“隼鳥2號”任務帶回了小行星龍宮（Ryugu）的樣本。中國則計劃于2027年發射一個與雙小行星改道測試類似的動力撞擊器演示任務，同時還會發射一個觀測航天器用于觀測。

2029年，直徑340米的小行星阿波菲斯（Apophis，以埃及的混亂和黑暗之神的名字命名）將在距離地球3.2萬公里處經過，這個距離比一些地球同步衛星與地球的距離還要近。阿波菲斯將在2029年4月13日經過該區域。雖然它不會撞擊地球，但其近距離通過促使聯合國將2029年定為了“國際小行星認知和行星防御年”。這顆小行星非常亮，人們可以在歐洲、亞洲和非洲的部分地區肉眼看到它。NASA已經調整了OSIRIS-Rex宇宙飛船（該飛船于2023年將小行星貝的樣本帶回了地球）的方向，使其能夠與阿波菲斯交會。重新命名的OSIRIS-APEX任務將為天文學家提供重要的機會，使其能夠進一步完善我們測量近地小行星并了解其特征的方式。

NASA和FEMA的2024年行星防御演習

2024年，NASA和聯邦緊急事務管理局（FEMA）圍繞假定的小行星撞擊威脅發起了一次跨部門桌面演習。在虛構的場景中，望遠鏡觀測到了一顆近地天體，并計算得出該天體在2038年與地球撞擊的可能性為72%。我擔任了本次桌面演習的主持人，此次桌面演習旨在進一步探討和尋找機會針對真實的“殺手小行星”場景尋找壓力測試新方法。

在演習中，我們引入了一個復雜的因素，那就是，近地天體的大小仍然難以確定，它是一個直徑60米的城市殺手，還是一個直徑800米的天體，可能摧毀一個國家？如果是后者，將有 1000 多萬人的生命和生計受到威脅。

為了專注于演習，我們將重點集中在了假設的近地天體的探測，以及隨后的決策和下一步行動上。我們跟蹤了探測后展開的討論和決定。一些美國機構和組織以及聯合國外層空間事務辦公室和國際合作伙伴參加了相關活動。

演習暴露的關鍵短板在于，當前快速部署空間任務以偵察小行星威脅和防止撞擊地球的能力嚴重不足。假設情景的巨大不確定性表明，人類有必要具備快速獲取有關小行星的更精準信息的能力。

一名匿名參與者在演習快速回顧報告中表示：“我知道我傾向于（怎樣的方案），但國會要求我們繼續觀望。”

雖然近地天體研究人員會繼續收集新的數據并發展新的洞見和觀點，我們也希望這會促成更好、更強大的行星防御體系，但亙古不變的真理始終如初，在這場生死博弈中，人類永遠無法選擇小行星，而小行星可以選擇何時降臨。

來源：悅智網

編輯：辣條

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯系原公眾號