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一颗危险的小行星向地球撞来……科学家能做什么?

编译 瞿立建 世界科学 2023-02-15

还记得电影《世界末日》吗?一颗德克萨斯州大小的小行星即将撞击地球,布鲁斯•威利斯(Bruce Willis)乘航天飞机飞临小行星,用核弹炸毁了这颗小行星,拯救了地球上的所有生命。
科幻变成现实。从2021年开始,人类将真的派出飞船穿越太空,撞击小行星,测试我们是否能使危险的它们偏离与地球直接相撞的轨道。


电影《世界末日》海报


AIDA任务


尽管《世界末日》这部电影有诸多科学上的错漏,但它的部分创意被美国宇航局(NASA)和欧空局(ESA)采纳了,两家机构计划合作开展一项名为小行星撞击和偏转评估(AIDA)的航天项目。


AIDA项目第一次航天发射将于2021年7月下旬进行,名为双小行星重定向试验(DART),由美国负责。执行任务的达特(DART)飞船将在卡纳维拉尔角起飞,开始自己的自杀式飞行之旅。飞行14个月后,飞船将撞击双小行星系统迪代莫斯(Didymos,希腊语中意思是双胞胎)其中一颗小行星。


目的不是将小行星粉碎,而是要稍微改变它的轨道速度,使其偏离撞击地球的轨道。


AIDA项目欧洲方面的任务是发射赫拉(Hera,希腊神话中的天后女神)号宇宙飞船。赫拉号宇宙飞船将在美国的达特飞船实施完撞击大约三年后抵达,以研究撞击的效果。


100~300米之间的小行星能摧毁一个国家


依据对地球的威胁程度,小行星被分好几个等级(哪个等级我们都受不了)。最高等级是所谓的“地球杀手”,它们是直径超过10千米的小行星。6500万年前,正是这类小行星导致恐龙灭绝。


值得庆幸的是,我们不必太担心恐龙悲剧重演,科学家有95%的把握,在未来的几百年里,人类不会遭遇恐龙那样的灭顶之灾。


2013年,一颗直径20米的小行星在俄罗斯车里雅宾斯克上空进入大气层,在半空中发生爆炸,产生的冲击波震碎了全城的窗玻璃,造成约1600人受伤


科学家之所以如此有把握,是因为那些能毁灭地球的小行星个头比较大,也比较明亮,在过去几十年中一直被严密监视。目前,它们都距离地球比较远,暂时无需为它们忧心忡忡。


反倒是那些低等级威胁的小行星更小更暗,难以监视和防范。大多数较小的小行星还没被科学家发现,不是没有努力找,而是真的难找见。


这是令人忧心的大问题。直径在100~300米之间的小行星被称为“城市杀手”,因为当它们撞击地球时,可以轻易地摧毁一座城市。1908年,一颗此级别的小行星撞击在俄罗斯西伯利亚的通古斯地区。


万幸,这是一片无人区,据信没有人死亡,但破坏程度令人震惊。撞击的冲击波夷平了2000平方千米的森林。


如果综合考量撞击地球的可能性与小行星的数量,对我们威胁最大的小行星很可能来自直径在100~300米之间的未知小行星。它撞到哪里,那里就将成为一片废墟。如果它的直径达到300米,能毁灭一个小国。


俄罗斯车里雅宾斯克上空爆炸的小行星的一大块碎片坠落到切巴库尔湖,在冰冻的表面留下了一个8米大小的洞

 

发生小行星撞击地球的灾难时,航天机构可有应对之策?电影《世界末日》上映后,公众也很关心这个问题。


这促使欧空局组建了近地天体航天顾问委员会,这个委员会在21世纪初评估了用航天器化解小行星威胁的可行性


双小行星系统成为目标


轨道偏转试验存在速度测量上的难点。研究人员最初的目标是一颗名为2002 AT4的小行星,他们试图将它的速度改变0.5毫米/秒左右。但是测量这种微小的变化是特别困难的,因为小行星正以30~40千米/秒的速度绕着太阳运行。

                             

安德鲁·郑(Andrew Cheng),美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室首席科学家,建议AIDA的试验目标为小行星双星系统

 

约翰·霍普金斯大学的天文学家郑博士提出了一个解决方案。他建议,与其瞄准一颗小行星,不如找一个小行星双星系统,瞄准其中较小的一颗。这样,0.5毫米/秒的速度就更容易测量了,因为双小行星之间的相对速度只有几厘米每秒。


于是,双小行星系统迪代莫斯(Didymos)进入了航天专家的备选名单。


迪代莫斯在1996年被发现,并在2003年被证明是一对小行星。较大者直径为750米,较小者直径为170米,后者是前者的卫星,名为迪代莫恩(Didymoon),达特飞船的目标就是它。


达特飞船将在2022年撞上双小行星系统

 

约翰·霍普金斯大学的安德鲁·里夫金(Andrew Rivkin)博士,他是达特航天任务的领导者,他说道:“与其他像地震和海啸这样的自然灾害不同,小行星和彗星之类的撞击是我们可以干预的,我们可以从源头处让小行星偏离地球,而在技术上这也是可实现的,现在我们要做下测试。”


达特航天飞船将以6~7千米/秒的速度接近迪代莫恩,并在距离地球约1100万千米的地方撞击它。如果这个计划能取得成功,这将是航天领域的一个惊人成就。


NASA在这方面有一些经验。2005年,NASA进行了一项被称为“深度撞击”的航天任务——将一艘宇宙飞船撞向坦普尔1号彗星。不过撞击的目的是研究彗星内部结构与组成,而非使其偏离轨道,但该任务让他们对太空撞击天体技术有了充分的把握。


相对“深度撞击”,达特飞船将配备更好的计算机技术和软件,控制望远镜对准正确目标的软件正是天文台所使用的类似软件。撞击后,飞船会粉身碎骨,有可能在小行星上留下一个直径10~15米的陨石坑。


撞击之后

达特飞船完成使命后,地球上的望远镜将开始追踪迪代莫斯,并观察迪代莫恩的轨道是否发生了偏转。


到2025年,ESA负责的赫拉飞船将抵达迪代莫斯附近,开始它的工作,观察达特飞船制造的陨石坑的大小和形状。


赫拉飞船检验飞镖飞船的撞击效果


科学家也将通过撞击效果,首次获得关于迪代莫恩的物质组成方面的信息。赫拉飞船还将携带一套仪器进行其他分析,从而推断出小行星的质量、密度和热性质。


只有获得这些信息,我们才能在未来发射飞船撞开即将撞击地球的小行星。了解小行星组成的性质将帮助科学家更准确地计算轨道偏转


可以想象,在未来某个时刻,一颗危险的小行星正朝我们飞来,科学家立即开始研究它的性质,并与迪代莫恩进行比较。然后就可以计算出,要用多大的撞击才能使它偏离方向。


赫拉飞船计划于2025年升空,前提是资金能到位


换句话说,赫拉飞船将给出飞船撞击小行星效果的精确数据,帮助我们应对未来可能面临的小行星撞击灾难。


在现实生活中,没有布鲁斯·威利斯之类来拯救我们,我们需要科学的力量。


资料来源:

How to smash an asteroid


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