小行星撞击地球可能导致恐龙灭绝的艺术想象图 | 图源：bbc
不久前（2022年9月底），科研人员发表论文描述了他们新发现的3颗小行星[1]。在这3颗小行星中，有2颗是2021年发现的，另外一颗是2022年1月13日发现的，命名为2022 ap7。他们使用位于智利的blanco 4米望远镜上安装的暗能量相机做出了这一发现。
2022 ap7在3颗小行星中个头最大，直径在1.1~2.3千米，很有可能是8年来天文学家发现的最大的潜在危险小行星（potentially hazardous asteroids，pha），而且观测表明它还会穿过地球的轨道。由于受到其他行星引力扰动的影响，2022 ap7在未来可能会更接近地球。因此，2022 ap7又被称为“行星杀手”。值得注意的是，虽然这3颗小行星个头都不小，但因为位于地球轨道和金星轨道内，在耀眼的阳光下几乎“隐身”，所以直到近期才被发现。而这种情况其实并不稀奇。与气候变化类似，小行星撞击将很有可能引发全球危机，没有人能独善其身，全球协作成为必要。2022年9月27日，名为“为恐龙复仇”的dart按计划撞向了孪小星，为人类第一次验证小行星防御技术。那么，什么是潜在危险小行星？2022 ap7真的会威胁地球和人类吗？面对可能的威胁，我们有什么应对的办法？世界各国的小行星防御计划是杞人忧天么？本文作者为您带来深度解读。● ● ●
在很多人的印象中，小行星是浪漫的意象，是圣-埃克苏佩里的《小王子》中主人公生活的地方。而在天文学的定义中，小行星是太阳系内环绕太阳运行、但是体积和质量都远小于行星的小天体；以冥王星为代表的矮行星，则介于行星和小行星之间。小行星因为体积小、亮度低，曾经长期隐匿在天文学家的视野中，随着观测能力的逐步提高，天文学家才对小行星有更多的了解，认识到它们可能给人类带来的威胁。近年来，特别是今年，小行星防御成为很多人关注的问题。天文学家估计，太阳系中大小不等的小行星超过100万颗，但是绝大多数小行星与人类没什么关系，天文学家真正关注的是近地小行星以及潜在危险小行星。近地小行星指的是轨道近日点距离在1.3au以内的小行星（日地平均距离为1au，即1个天文单位，1au=1.496*108千米）。直径大于150米、运行轨道与地球平均轨道的最小距离小于0.05au，大约20倍地月距离的小行星称为潜在危险小行星。截至2022年11月初，天文学家发现的近地小行星近3万颗，其中直径大于140米的超过1万颗，直径大于1千米的近千颗，而潜在危险小行星超过2000颗。2003年，美国国家航空航天局（nasa）的一个研究小组指出，直径超过1千米的小行星撞击地球会引发全球性灾难，而直径超过140米的小行星撞击地球会引发洲际灾难。因此，天文学家在观测时，会把140米和1千米作为划分小行星大小的分界线。此外，等效直径50米量级和10米量级的小行星也会引发不同程度的危害。直径为米级的小行星会引发火流星事件，一般不会给人类造成明显的危害。首先，我们可以先长舒一口气，因为根据目前的观测，我们没有现实存在的危险，天文学家还没有发现在本世纪内撞击可能性超过1%的小行星，包括最新发现的这颗小行星2022 ap7，它的轨道可能发生变化的 “未来” 也是以百年为尺度来计算的。与此同时，我们更应该注意到的是，由于观测时间不长、观测能力有限，绝大部分的近地小行星还没有进入我们的视野，我们已经发现的可能不到总数的2%，比如70%的直径在140米以上的小行星、97%的直径在50~140米的小行星以及99%的直径在10~50米的小行星，我们都没有发现。比如，谢泼德等人在论文中报告的3颗小行星虽然个头都不小（除了最大的2022 ap7外，另外两颗小行星2021 lj4和2021 ph27的直径分别为0.3~0.6千米和0.9~1.7千米），但是因为位于地球轨道和金星轨道内，在耀眼的阳光下几乎隐身，所以直到近期才被发现。类似的情况肯定还有很多。图1 谢泼德等人在论文中给出的小行星2021 ph27的轨道完全在地球轨道内，因此不会对地球造成威胁 | 图源：sheppard et al.
图2 巴林杰陨石坑 | 图源：wikipedia commons第一个是导致恐龙灭绝的小行星撞击事件。一种主流观点认为，大约6600万年前，一颗小行星撞击地球，撞击点在今天的墨西哥湾，由此引发的生态灾难最终结束了恐龙称霸地球的时代。虽然恐龙灭绝的真正原因还不能盖棺定论，但是在地球的历史上，小行星撞击事件对地球生命演化产生了巨大影响却是科学界的共识。第二个事件是通古斯大爆炸。1908年，一颗冲进大气层的小行星在俄罗斯西伯利亚通古斯上空发生爆炸。爆炸的威力相当于2000万吨tnt炸药，造成超过 2150 平方千米内的8万颗树被焚毁。2013年2月15日，一颗直径约18米的小天体进入大气层，下降成一颗超级火球，在俄罗斯车里雅宾斯克州上空约30千米处爆炸，事件造成约上千人受伤，数千幢建筑物遭到损毁。这是距离我们时间较近的一次标志性事件。19世纪末，人们在美国亚利桑那州发现了巴林杰陨石坑（barringer crater），这个陨石坑直径1186米、深170米，形成于大约5万年前。5万年前尚未有现代人类到达北美洲，因此我们的祖先没有 “见证” 这一事件，但是这样的撞击在当时肯定对大范围区域内的生态造成了巨大影响。这些事件提醒我们，地球是生命的摇篮，但绝非风平浪静的港湾。虽然地球被小行星撞击是概率极小的事件，但一旦发生，就会带来区域性或全球性的影响，甚至威胁人类的存续，因此小行星防御成为摆在人类面前的共同课题。小行星防御的第一步是发现有可能对地球造成威胁的小行星。2022年暑期热映的科幻喜剧电影《独行月球》就以小行星威胁地球为背景——在电影一开始，科学家发现了飞向地球的小行星π，引发了随后防御小行星的一系列故事。与气候变化类似，小行星撞击将很有可能引发全球危机，没有人能独善其身，全球协作成为必要。2013年的车里雅宾斯克事件，促使世界各国更加重视小行星的威胁。2014年，在联合国和平利用外层空间委员会的框架下成立了国际小行星预警网（iawn），我国于2018年2月作为正式成员加入了这个网络。在现实中，世界上多个国家和地区都已经开展了对小行星的监测，并逐步建立起监测网络。比如美国在1992年就启动了近地小行星监测预警项目，2016年还成立了行星防御协调办公室（pdco）。在对小行星进行监测方面，目前天文学家采用的是地基监测为主、地基和天基监测相结合的方式。比如，美国就利用地面上的光学望远镜、阿雷西博射电望远镜和金石（goldstone）行星雷达等设备进行监测。不过，在人类探索太空的历史上有重要意义的阿雷西博射电望远镜由于坍塌而退役对天文学研究包括小行星防御都是一个重大的损失。《独行月球》设定的时间背景大约在21世纪30年代，此时中国是执行 “月盾计划” 的主力，而在现实中，中国虽然在小行星防御领域里起步较晚，但也开始发力。图3 “中国复眼”项目概念图 | 图源：北京理工大学重庆创新中心
“中国复眼” 的全称是超大分布孔径雷达高分辨率深空域主动观测设施项目，项目二期由20多部天线组成，每部天线孔径达到25~30米，这些天线共同组成分布式雷达，能够发射电磁波探测小行星并接收回波。因为天线的排布方式像是昆虫的复眼，因此被称为 “中国复眼”。“中国复眼” 项目分三期建设，二期建成之后，可以对千万千米以外的小行星进行探测和成像，而在三期建成后，将把探测范围扩大到1.5亿千米（1au）。在天基观测方面，我国科学家也提出了 “地球领航轨道” 天基监测预警望远镜的想法。这个计划是在太空中部署望远镜，当小行星从太阳一侧方向接近地球时，可以补偿地面光学望远镜的盲区，及时发出预警。图4 地球领航轨道任务概念图 | 图源：国家空间科学中心
探测并发现有潜在威胁的小行星只是第一步，人类还需要采取有效的措施来阻止这些小行星真正撞击地球。目前，科学家提出的防御思路主要有两大类：一个是摧毁小行星，这是电影中采取的方式，但现阶段实施难度较大，风险也较大；另一个是通过撞击等方式使小行星的轨道发生改变，从而避免与地球相撞，以这一思路为指导的研究相对成熟，正在进行中。美国国家航空航天局和欧洲航天局（esa）联合开展了 “小行星撞击偏转评估计划”（aida）。作为计划的一部分，2021年11月24日，美国国家航空航天局成功发射了 “双小行星重定向测试”（dart），这是人类历史上第一个小行星防御试验任务，任务目标是通过动能撞击来改变小行星的轨道，验证小行星防御技术。dart的目标是一个双小行星系统，两颗小行星中较大的一颗直径约780米，叫作 “迪迪莫斯”（didymos），较小的一颗直径约160米，叫作 “迪莫弗斯”（dimorphos），它们又被称作孪大星和孪小星。2022年9月12日，探测器释放了一颗用于收集撞击数据的伴飞小卫星。2022年9月27日，dart按计划撞向孪小星，撞击器的质量为550千克，撞击相对速度为6.6千米/秒。根据预想，撞击将会使孪小星产生微小的速度变化，从而影响它环绕孪大星的周期。根据地面观测设备和小卫星收集的数据，这次撞击实现了预期目标，取得了圆满成功。图5 dart工作的艺术想象图 | 图源：nasa
深谙公众传播套路的美国国家航空航天局为这次任务给出的宣传主题是 “为恐龙复仇”，吸引了不少眼球，但中国古话说 “冤有头债有主”，即使小行星撞击地球是导致恐龙灭绝的真正原因，也不关无辜的孪小星什么事儿。事实上，孪小星距离地球1100万千米，科学家选择这样一个遥远的目标，在于确保这颗本来就不会威胁地球的小行星在被撞击后仍然不会对地球产生任何威胁。除了研发新一代观测设备外，我们国家也制定了类似的动能撞击测试计划。在2021年中国航天日（4月24日），中国国家航天局表示将论证实施探月工程四期、行星探测工程、国际月球科研站和近地小行星防御系统。在2022年的中国航天日，国家航天局给出了更清晰的小行星防御计划——中国将着手组建近地小行星防御系统，共同应对近地小行星撞击的威胁，为保护地球和人类安全贡献中国力量。具体来说，中国计划在2025年或2026年进行一次技术实验，对某一颗有威胁的小行星，进行抵近观测并实施就近撞击。除了相对成熟的动能撞击方案外，我国科学家还提出了其他思路，比如 “以石击石” 和 “末级击石”。所谓 “以石击石”，就是在太空中捕获一颗较小的小行星，然后操控这个小行星去撞击对地球有威胁的大尺寸小行星，最终使有威胁的小行星偏转出撞向地球的轨道。捕获小行星不仅可以防御小行星，还可用于未来的太空采矿，在商业太空领域中也有可观的应用前景。而“末级击石”指的是航天器进入深空逃逸轨道后，火箭末级与航天器不实施星箭分离，由航天器操控末级组合体撞向有威胁的小行星，从而充分利用火箭末级的剩余重量，提升撞击小行星的动量，进而提升小行星轨道偏转能力。图6 “以石击石”任务概念图 | 图源：国家空间科学中心
最后说几句题外话。我们之所以还有足够的时间来讨论主动进行小行星防御，一个忽略的背景是我们的地球更确切地说是大气层为我们提供了足够的保护。大量进入地球大气层的小天体在大气层中就被烧毁，不仅形成了美丽的流星，更保护了人类和地球上的其他生命。我们可以拿火星进行对比。2022年10月27日，研究人员在《科学》（science）上发表了一篇论文，报告了洞察号和火星勘测轨道飞行器合力发现的两次近期在火星表面发生的陨石撞击事件。较早一次发生在2021年9月18日，在一组撞击坑中，最大的一个直径在130米左右；较晚一次发生在2021年12月24日，撞击坑的直径大约为150米。直径150米的撞击坑如果出现在地球上，至少会对一个城市造成灾难性的影响。其实撞出这个坑的陨石的直径估计只有5~12米，这个大小的陨石会在地球大气层中完全烧毁。可是，火星大气的密度只有地球大气密度的1%，因此这颗陨石几乎是毫无阻碍地撞向火星表面。图7 2021年12月24日，一颗陨石撞击火星表面形成的陨石坑 | 图源：nasa
小行星防御不再是为恐龙复仇，而是为了保护人类自己，避免毁灭性灾难的发生。虽然地球曾经遭受过不计其数的小行星的撞击，地球生命史中也反复上演着毁灭和重生的故事，但在迄今为止人类文明的时间尺度上，我们大可不必惶惶不可终日。目前，小行星防御技术还处于论证和初步试验阶段，未来发展成熟后，将为人类打造一块强大的盾牌，从而令科幻电影中的情节停留在虚构，避免人类重蹈恐龙的覆辙。
[1] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac8cff
[2] https://noirlab.edu/public/news/noirlab2226/
[3] https://cneos.jpl.nasa.gov/stats/
[4]吴伟仁,龚自正,唐玉华,张品亮.近地小行星撞击风险应对战略研究[j].中国工程科学,2022,24(02):140-151.
[5]邹小端.开启地球保卫战——psi行星科学研究所博士后研究员邹小端谈如何防御小行星[j].太空探索,2017(12):26-28.
[6] https://www.cas.cn/kx/kpwz/202201/t20220113_4822058.shtml
[7] https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/4/369233.shtm
[8] http://www.nssc.ac.cn/xwdt2015/kydt2015/202106/t20210630_6122038.html
[9] http://www.nssc.ac.cn/xwdt2015/kydt2015/202105/t20210521_6036153.html
[10] li mingtao,wang kaiduo.progress of planetary defense research in china[j].空间科学学报,2022,42(04):830-835.
[11]
https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-s-insight-lander-detects-stunning-meteoroid-impact-on-mars
