当小天体即将撞击地球我们能做什么?

   |    2016年5月18日  |   黑科技  |    评论已关闭  |    216

  罗塞塔探测计划的成功显示人类已经有能力抵达一颗彗星
        1908年,一颗小天体撞击俄罗斯西伯利亚偏远的通古斯地区,产生的强烈爆炸摧毁了大片森林,史称“通古斯大爆炸”
一颗直径上百米的非常小的小行星撞击地球,也将释放出百万吨级TNT当量的巨大能量,能够轻易摧毁一座大城市  一颗直径上百米的非常小的小行星撞击地球,也将释放出百万吨级TNT当量的巨大能量,能够轻易摧毁一座大城市

新浪科技讯 北京时间5月18日消息,据英国广播公司(BBC)网站报道,请各位想象这样的情景:有一天观测证实有一颗小行星正在朝着地球飞来,即将撞上地球,你将会是什么反应?此时,世界各主要航天大国之间达成共识,必须合力阻止撞击事件的发生。而接下来事情将如何发展,在很大程度上就取决于在撞击发生之前我们还有多少应对时间了。在所有的选项中,任何一个选项都不是容易做到的,并且其中至少有一种方案将需要人类使用核弹。

大型陨星撞击事件是非常罕有的,上一次规模较大的陨星撞击发生在1908年的西伯利亚通古斯地区,科学家们认为当时有一颗小天体在冲入地球大气层之后在距离地面上空大约10公里的高度上发生爆炸,摧毁了地面上大面积范围内的森林。

根据估算,类似1908年通古斯大爆炸事件这样规模的撞击事件大约每隔数百年会发生一次。好在西伯利亚非常荒芜——即便是在今天也几乎仍然如此,当地人口只分布在稀疏散落各处,规模很小的定居点内。而如果造成通古斯大爆炸的那颗小天体撞击地球的时间再晚5小时,那么它撞击的地方将会是圣彼得堡,造成的人员伤亡和损失将会不亚于一次超级核弹袭击。

一颗直径仅250米左右的小型天体就能产生类似美国亚利桑那州巴林杰陨坑那样规模的撞击坑一颗直径仅250米左右的小型天体就能产生类似美国亚利桑那州巴林杰陨坑那样规模的撞击坑
地球防御  在不久之前我们体验了一次这样的噩梦场景,尽管规模小得多。在2013年,俄罗斯车里雅宾斯克附近,一颗小天体在距离地面上空大约30公里高度上解体爆炸,强烈的冲击波在地面上造成大量窗户玻璃破碎,超过1400人被碎玻璃和其他溅射物割伤。据估算,车里雅宾斯克陨星事件释放出的能量大约相当于一颗50万吨当量的核弹,这大约是二战时期美国投掷在日本广岛的原子弹威力的20倍以上——所幸其发生爆炸的高度较高,因而对地面的破坏相对有限。类似这种规模的撞击事件频率就要高得多,从概率上讲大约每年都会发生三次左右,但其中的绝大部分都发生在一些没有人烟的偏远地带或者海洋上空,因此我们不会注意到它们。因此,对于我们来说,问题不是陨星撞击事件会不会发生,而是什么时候发生。

各国政府对这类问题有着严肃考虑,并采取了一系列措施为这样的情况做好准备。以美国为例,就在今年1月份,美国宇航局(NASA)就成立了行星防御协调办公室(PDCO),负责小行星监测并与其他航天机构进行相互协调,共同探讨对外来天体撞击地球风险的应对策略。

美国宇航局行星防御办公室主管林德赛·约翰森(Lindley Johnson)表示,目前,PDCO办公室的主要精力集中在对潜在危险目标的探测方面,在多个不同的观测项目之间进行协调工作。这样做的原因很简单:你没法做任何具体的应对工作,除非你首先明确构成威胁的小天体的具体位置。约翰森表示:“我们努力做到能够提前数年,乃至数十年发现并识别潜在威胁天体。”一旦对地球构成威胁的天体目标被确认,正式的应对策略就将随之开始制定。

1908年,一颗小天体撞击俄罗斯西伯利亚偏远的通古斯地区,产生的强烈爆炸摧毁了大片森林,史称“通古斯大爆炸”

方案一:撞击器

其中最简单直接的应对方式被称作“行星台球”( planetary billiards)。顾名思义,它的基本原则就是发射一颗质量较重的物体,或者干脆让飞船本身去撞击来袭小天体,目的是使该小天体轨道发生轻微偏移,从而使其错过撞击地球的路线。

在未来数年内,欧洲空间局(ESA)就将与美国宇航局联合开展相关技术验证工作,项目名称是“小行星撞击与偏移评估”(Aida)。该项目将包含两艘飞船,其中一艘被称作“小行星撞击器”(Aim),它预计将在2020年下半年发射升空;另一艘飞船名叫“双小行星偏移测试”(Dart),预计在2021年发射升空。

预计到2022年,探测器将抵达一颗“双小行星” 65803 Didymos,这颗小行星的独特之处在于它由两个部分组成,除了本体之外,还有一颗小小的伴随卫星,名叫“Didymoon”。其本体直径大约780米,卫星直径大约170米。这两者之间的距离非常近,距离只有大约1100米,每隔大约11.9小时相互绕转一周。按照计划,Aim飞船将抵达这颗独特小行星附近并开展绕飞,对其成分进行探测,同时等待Dart探测器抵达。而一旦Dart飞船抵达,它将撞击这颗小行星的卫星,此时Aim飞船将全程观察撞击导致的结果。整个项目的目的是想要了解人类能够在多大程度上改变一颗小行星的轨道,并且不至于将其推入一条可能威胁地球的轨道。

读者可能会觉得这颗小行星太小了,那么请参见以下事实。测算显示,美国最著名的亚利桑那州巴林杰陨石坑可能是由一颗直径仅有小行星 “Didymos”1/3左右的小天体撞击形成的,其形成的撞击坑直径超过1200米。如果“不起眼”的小行星卫星“Didymoon”以大约每秒15.5公里的速度撞上地球——这是这颗小天体撞击地球的最小速度——它将释放相当于200万吨当量核弹的能量,能够轻易摧毁一座城市。而如果其以最大速度撞击(约为34.6公里每秒),则将释放相当于400万吨当量核弹的能量,这相当于200颗广岛原子弹的威力!

帕特里克·米歇尔(Patrick Michel)是法国国家科学研究中心的高级研究员,也是Aida计划的首席科学家。他表示:“我们想要改变围绕本体运行的小行星卫星的轨道,因为这颗小卫星围绕本体的公转速度仅有大约每秒19厘米。”但即便是非常微小的变化也能够从地球上被观测并测量,预计撞击后其轨道周期将发生大约4分钟的变化。

当然,另外一项重要的目的是想了解撞击器是否能够正常发挥作用。米歇尔表示:“所有的撞击模型都是基于对于撞击物理过程的了解,而我们所有的数据都是基于实验室尺度,在厘米级目标上获取的。”根据这样的模型得到的数据是否适用于真正的小行星环境目前仍然是一个开放性问题。

不过,约翰森表示,这项技术目前来看仍然可算是人类掌握的最成熟的一项技术,因为在此之前人类已经展示了抵达这样的小天体的卓越能力——包括美国宇航局的“黎明” 号探测器围绕谷神星和灶神星运行,以及欧洲的罗塞塔飞船成功释放着陆器登陆67P彗星彗核的壮举等等。

在2013年,俄罗斯车里雅宾斯克附近,一颗小天体在距离地面上空大约30公里高度上解体爆炸,强烈的冲击波在地面上造成大量窗户玻璃破碎,超过1400人被碎玻璃和其他溅射物割伤  在2013年,俄罗斯车里雅宾斯克附近,一颗小天体在距离地面上空大约30公里高度上解体爆炸,强烈的冲击波在地面上造成大量窗户玻璃破碎,超过1400人被碎玻璃和其他溅射物割伤

方案二:引力牵引

除了撞击选项之外,还可以利用引力——简单说就是将一个质量较大的物体,或者说飞船本身布置到这类小天体近旁,从而利用飞船或大质量物体本身的引力逐渐地“引导”小天体改变轨道。这一方案的优势就在于它只要求飞船能够抵达小行星就可以。其轨道方案将是围绕该小行星与太阳引力平衡点位置的拉格朗日点运行的复杂轨道设计。另外,美国宇航局即将发射的“小行星重定向任务”(ARM)也将间接地开展此项技术验证,其核心任务之一便是将一颗小行星推移到地球轨道附近。

然而,以上所有这类方案面临的一个共同的大问题便是时间。要执行这样一个远离地球轨道空间的应对任务将需要至少4年以上的设计建造时间,随后飞船发射之后还将需要一到两年的飞行时间。如果小行星的威胁迫在眉睫,那么我们或许就将被迫考虑其他应对策略了。

方案三:激光器

美国加州大学圣巴巴拉分校物理学家张启成(Qicheng Zhang,音译)认为,激光或许将是更好的选择。激光不会将小行星引爆,而是将造成其一部分表面物质的蒸发。张与他的同事一起,在实验宇宙学家菲利普·鲁宾(Philip Lubin)的带领下开展了一系列的相关轨道模拟实验,并在提交给太平洋天文学会的一篇论文中对相关情况进行了阐述。

尽管听上去似乎这种方法并不会产生什么效果,但请记住,只要时间足够长,即便最微小的改变也将让小行星的轨道发生数千公里的偏离。张表示,激光方法的优势之一就在于我们将可以在地球轨道上建造一台大型激光设备,而不需要长途跋涉追逐小行星。一台前兆瓦功率激光器连续对一颗小行星照射一个月,将有能力使一颗直径80米的小行星(与造成通古斯大爆炸的小天体直径相当)的轨道偏离两个地球半径那么大的距离(大约12800公里)。这已经足够避免碰撞的发生。

这一方法的另一个版本则是发射一艘探测器,上面安装有一台功率稍低的激光器。不过这样做的话你就必须让飞船去追逐小行星并在较为靠近的位置上对准小行星发射激光束。由于这样的激光器比较小(可能在20千瓦级别),它将需要连续照射数年时间才能造成目标小行星的轨道发生足够避免碰撞的偏移量。不过,根据张等人的计算,这一方案中,只要能有15年左右的提前量,这样一艘小型飞船仍然将有能力让目标小天体轨道发生足够大的偏移量。

张表示,他所提出的地球轨道激光器方案之所以更加优越,是因为要让一艘飞船进入小行星或者彗星环绕轨道并非那么容易的事,尽管我们此前已经成功实现了这一点。他说:“罗塞塔飞船此前的目标是另外一颗彗星46P,后来由于发射的推迟,46P彗星已经不再是一个合适的目标,于是项目组不得不重新选择了探测目标。但如果一颗彗星正处在撞击地球的轨道上,那么我们可就没有临时调整探测目标的那种奢侈了。”他还指出,小行星的追踪并不十分困难,但要想真正飞抵某个小行星附近,一般情况下也将需要3年左右的时间。

不过,约翰森也对轨道激光器的想法提出了一些担忧,简单来说就是在此之前人类还从未向地球轨道上发射过千米级别的大型物体,更不要说是一组大型激光器了。他说:“这个想法中有很多东西我认为都还不够成熟,比如说,将太阳能可靠地转化为激光能,并长期维持稳定运行便是我的担忧之一。”

方案四:直接使用核弹

除了这些选项之外,还有核选项可以考虑。如果你看过好莱坞大片《世界末日》或者《深度撞击》的话,你就明白这种解决方案有多么直接。但实际上,这一方案要想真正实施仍然充满困难和不确定性。英国思克莱德大学的马西米里亚诺·瓦西尔(Massimiliano Vasile)指出:“你将需要把整个基础设施都送入太空才行。”他提出在距离目标小天体附近空间引爆核弹。和激光方案一样,这一计划的基本设想也是造成小行星表明的部分蒸发,这一过程将产生推动力,并进而改变小行星的运行轨道。瓦西尔表示:“这样做将具有很高的能源利用效率。”

尽管激光或者核选项似乎能够发挥作用,但首先你必须明确来袭小天体的物质组成情况,因为不同的物质成分,其蒸发温度都是不同的。另一个问题是某些小行星的疏松性。很多小行星实际上都是由一些大石块以一种非常疏松的方式堆积在一起形成的。针对这样的目标,撞击可能不会得到很好的结果。这样的情况下,引力引导方案可能就会是一个比较好的选项,因为这一选项对于小天体的物质组成和坚固性没有什么要求。

政治与法律风险

当然,以上所有这些选项在真正实施的时候都会遭遇到一个终极障碍:政治。1967年签署的《外层空间条约》明确禁止在太空中测试和使用核武器,而在轨道上部署千兆瓦能级的强大激光器也将让很多人感到坐立不安。

张指出,如果将轨道激光器的能级降低到大约0.7千兆瓦级别,那么它将只能在限定时间范围内将小行星轨道偏离大约0.3个地球半径,或者1911公里。他说:“能够摧毁一座城市的较小型的小天体数量要远比能够对整个地球构成全球性威胁的较大型小天体多得多。现在,设想有这样一颗小天体正飞向美国纽约。取决于不同的条件,人类尝试偏离这样一颗小天体轨道的努力有可能造成的后果是来袭小天体最终仍然撞上了地球,但其撞击地点发生了改变,比如不是纽约,而是撞上了伦敦。如果存在类似这样的风险,那么欧洲就难以冒险同意此类轨道偏离任务。”

不过,约翰森也指出,执行此类任务的法律风险或许也不会如想象的那么高。他指出:“在那些条约中都存在着排除条款。”比如在《外层空间与全面禁试条约》中并未禁止弹道导弹(可能携带核弹头)“通过”宇宙空间。另外,考虑到地球防御的重要性,相信很多批评者也会有所克制。

米歇尔指出,与其他所有自然灾害都不同的是,这是一类如果采取正确应对手段,我们可以避免的灾害。他说:“相比海啸或是其他自然灾害,这是我们唯一能够做点什么预防它发生的一类。”(晨风)

 

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