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(guó)科學(xué)家的事?？蛇@一次，將人類從這種危機(jī)中解救出來的，可能是中國(guó)科學(xué)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(jìn)入天文學(xué)家們的視野起，就得到了密切的關(guān)注——它有兩千多分之一的概率在下個(gè)世紀(jì)撞擊地球。撞擊釋放的能量將達(dá)到 1200 兆噸 TNT 當(dāng)量，是“小男孩”原子彈的 80，000 倍，足以對(duì)地球環(huán)境造成不可挽回的打擊，為人類社會(huì)帶來滅頂之災(zāi)。

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

　　科學(xué)家們顯然不會(huì)坐以待斃，把人類的命運(yùn)交給兩千分之一概率的天意?？上О雮€(gè)世紀(jì)以來的各種危地小行星（可能撞擊地球的近地小行星）偏轉(zhuǎn)或攔截方案，要么是難度和成本過高而難以實(shí)現(xiàn)，要么是效率過低，不能確保及時(shí)把小行星推離原有軌道。而我國(guó)中科院國(guó)家空間科學(xué)中心?2021 年 6 月發(fā)表在期刊《伊卡洛斯》（Icarus）上的“末級(jí)擊石”組合動(dòng)能沖擊方案（Assembled Kinetic Impactor， AKI），通過使用 20 多枚長(zhǎng)征五號(hào)火箭，能夠?qū)?Bennu 推離軌道，避開地球?！澳┘?jí)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(shí)可能面臨的小行星撞擊危機(jī)中拯救人類的新希望。

　　無(wú)處不在的威脅

　　6500 萬(wàn)年前使恐龍滅絕的?？颂K魯伯（Chicxulub）撞擊并非是小行星撞擊導(dǎo)致大滅絕的孤例，規(guī)模不同的大型撞擊在百萬(wàn)年尺度上常有發(fā)生。直徑百米內(nèi)的小行星撞擊更是不計(jì)其數(shù)。考慮到地球歷史上曾發(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(shí)可能面臨小行星撞擊的滅頂之災(zāi)的說法不完全是危言聳聽。美國(guó)近地天體和行星防御非營(yíng)利組織?B612 基金會(huì)在?2018 年的報(bào)告中稱：“我們? 100% 確定會(huì)被毀滅性小行星擊中，不能 100% 確定的只是它何時(shí)發(fā)生?！蔽锢韺W(xué)家史蒂芬·霍金（Steven Hawking）在他的最后一本著作《對(duì)宏大問題的簡(jiǎn)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(cè)結(jié)果可視化。?圖片來源：NASA/JPL-Caltech/PSI

　　科學(xué)家們對(duì)危地小行星的擔(dān)憂由來已久，自 1992 年美國(guó)航空航天局（NASA）主辦近地天體攔截研討會(huì)起，相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和攔截偏轉(zhuǎn)方案研究就在不斷推進(jìn)。2013 年啟動(dòng)的近地天體寬視場(chǎng)紅外測(cè)量探測(cè)器（NEOWISE）項(xiàng)目就開始對(duì)全太陽(yáng)系的小行星進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在主要任務(wù)期間發(fā)現(xiàn)了超過 15 萬(wàn)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(fēng)險(xiǎn)的近地天體（Near Earth Object）。根據(jù) NASA 的統(tǒng)計(jì)，截止 2021 年 7 月 19 日，已知的近地小行星數(shù)量已達(dá) 26，234 個(gè)。

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

　　防御難題

　　認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)系中潛伏著如此之多的小行星殺手后，科學(xué)家們也開始提出多種類型的可能攔截偏轉(zhuǎn)方案：

　　· 操作一艘重型航天器靠近小行星，充當(dāng)“引力牽引車”，用數(shù)十年的時(shí)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(zhì)，物質(zhì)會(huì)飛離表面并產(chǎn)生相反方向的推動(dòng)力。

　　· 在地面或小行星附近的空間設(shè)置鏡面以聚焦太陽(yáng)光，照射小行星表面使物質(zhì)脫落，從而推動(dòng)小行星。

　　· 如果小行星足夠堅(jiān)固，就能令設(shè)備在其表面著陸，利用火箭推動(dòng)它。

　　· 給小行星涂漆以改變其熱特性，這樣陽(yáng)光就會(huì)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(zhuǎn)，需要的時(shí)間都需以十年為單位計(jì)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(shí)間還要短。核爆方案又有潛在風(fēng)險(xiǎn)，違反了聯(lián)合國(guó)和平利用外層空間委員會(huì)（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(gè)：動(dòng)能沖擊（Kinetic Impactor）。人類已經(jīng)掌握了向太陽(yáng)系內(nèi)發(fā)射航天器的能力，雖然單個(gè)航天器沖擊小行星所能傳遞的動(dòng)量不多，但一個(gè)不夠，可以發(fā)射兩個(gè)，還不夠，就十個(gè)。

　　NASA 在 2018 年也確實(shí)提出過這種樸素的具體構(gòu)想——超高速小行星應(yīng)急響應(yīng)任務(wù)（HAMMER）——假想目標(biāo)同樣是小行星 Bennu。NASA 的模擬表明，在 Bennu 與地球相撞之前，進(jìn)行 34 - 53 次 HAMMER 發(fā)射，每次使用一枚 8 噸重的航天器進(jìn)行撞擊，就能確保 Bennu 軌道避開地球。這一假想任務(wù)成本頗高，需要的大量發(fā)射次數(shù)也使任務(wù)周期難以壓縮，但若能成功實(shí)施，確實(shí)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(fù)拯救人類使命的小行星偏轉(zhuǎn)計(jì)劃如果未經(jīng)演習(xí)，誰(shuí)也不敢保證它能在真正面臨撞擊風(fēng)險(xiǎn)之時(shí)“一發(fā)入魂”。演習(xí)不能省，但當(dāng)演習(xí)的“軍費(fèi)”數(shù)額擺在面前的時(shí)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(shuí)來承擔(dān)這類研發(fā)任務(wù)成本的問題上踢起了皮球。NASA 認(rèn)為雖然這項(xiàng)任務(wù)的主要工作是研發(fā)，但本質(zhì)上并非為科學(xué)探索服務(wù)，而是一項(xiàng)防御任務(wù)，因此希望看到軍方來領(lǐng)導(dǎo)工作。但軍方卻將有關(guān)問題推回給了 NASA。

　　直接動(dòng)能沖擊的測(cè)試任務(wù)最終未能上馬。目前唯一有確切計(jì)劃的籌備中項(xiàng)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(cè)試（DART），計(jì)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(jìn)而改變系統(tǒng)中的引力作用，以此間接偏轉(zhuǎn)欒大星。這一任務(wù)只需一次發(fā)射，航天器質(zhì)量也僅為 610 千克。

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

　　有理由相信 DART 構(gòu)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(duì)于 Bennu 這類一般的孤立小行星卻無(wú)效。面對(duì) 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(jí)擊石

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

“末級(jí)擊石”行星防御任務(wù)方案示意 圖片來源：中科院空間科研中心

　　團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了使用長(zhǎng)征五號(hào)火箭（CZ-5）發(fā)射“末級(jí)擊石”任務(wù)的方案，計(jì)算模擬顯示，單發(fā) CZ-5 AKI 的小行星偏轉(zhuǎn)效果超過了 CZ-5 CKI 的 3 倍。在十年內(nèi)偏轉(zhuǎn)直徑 140 米的小行星軌道的任務(wù)中，末級(jí)擊石可將偏轉(zhuǎn)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(yù)警時(shí)間條件下直徑 140 米級(jí)危地小行星的偏轉(zhuǎn)提供了一種潛在高效技術(shù)手段。而在直徑約 500 米的 Bennu 小行星轉(zhuǎn)向任務(wù)中，如果使用末級(jí)擊石策略，只需要發(fā)射 20 多枚 CZ-5 就足以完成偏轉(zhuǎn)，令其軌道避開地球，遠(yuǎn)低于 HAMMER 計(jì)劃所需的 34-53 次發(fā)射。

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

　　《伊卡洛斯》的審稿人稱這一研究是“有趣、簡(jiǎn)單、新穎的”。作為目前唯一有望做到短期預(yù)警條件下的 140 米級(jí)危地小行星防御方案，末級(jí)擊石的確簡(jiǎn)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(zāi)難真的在不遠(yuǎn)的未來發(fā)生，拯救世界的或許將會(huì)是中國(guó)科學(xué)家。

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