当小行星来袭,除了让地球流浪,我们还能怎么做?

作者: 李明涛 龚自正

来源: 科学大院

发布日期: 2020-07-07

本文详细介绍了小行星撞击地球的历史事件、小行星的种类及其对地球的潜在威胁,以及科学家们提出的多种防御小行星撞击的方法,包括躲避、核爆、动能撞击、引力拖车、激光烧蚀、离子束偏转和发动机推力等。文章还提出了“以石击石”的新概念,利用空间中的岩石来撞击危地小行星,以提高防御效果。

1908年6月30日,一颗直径约30-50米的小天体在俄罗斯通古斯河地区上空发生爆炸,爆炸当量等效约1000颗广岛原子弹,摧毁了超过2000平方公里的森林。中心区70公里范围很多人被灼伤,欧洲许多电灯熄灭,陷入黑暗和恐慌。这是上世纪地球上最严重的一次小天体撞击事件。

为了警示人类小天体撞击的威胁,2014年皇后乐队成员、天文学家 Brian May、B612基金会Danica Remy、阿波罗9号宇航员Rusty Schweickart和电影制作人Grig Richters联合发起了小行星日活动,2016年联合国正式将每年6月30日列为国际小行星日。

其实,“天外来客”拜访地球并不罕见。根据科学家研究,地球地质历史上,发生了22次不同程度的生物灭绝,至少11次与小天体撞击相关。新生代以来,在距今6500万年、3400万年、1500万年、240万年、110万年、70万年前均发生过公里级小天体撞击地球事件。比如恐龙突然灭绝,目前科学界最普遍的说法是一颗小行星撞击地球导致的。

飞向地球的小天体包括小行星和彗星。

小行星和彗星都围绕太阳运行,区别在于彗星含有较多的挥发性物质,在靠近太阳时会明亮的慧尾。小行星是太阳系形成之初遗留的残余物质。如果把太阳系的形成比喻成建设一座高楼大厦,小行星就是高楼大厦建设完成后,剩余的建筑材料。小行星个头小,没有大气、火山、地震等气候地质活动演化,因此还保留着太阳系形成之初的原始物质。

有科学假说认为,地球上的水可能是小行星撞击带来的,支持地球早期生命起源的关键物质可能也源于小行星撞击。因此开展小行星的研究对揭示太阳系起源与早期演化、地球上生命起源和水的来源等重大科学问题具有重要意义。

截至2020年6月,人类已经发现了接近100万颗小行星。其中,绝大部分小行星分布在火星和木星之间的小行星带,被称为主带小行星。

有科学家推断,在火星和木星的轨道之间原本应该还有一颗行星,但在木星的引力扰动和撞击作用下,这颗行星胚胎演变成了小行星带。小行星带中的部分小行星,轨道运动与木星的轨道运动形成共振,在木星的引力扰动下,会从火星和木星轨道之间进入到地球轨道附近。一般将进入地球轨道4500万公里(约0.3个天文单位)范围内的小行星称为近地小行星。

小行星撞击会带来哪些危害?

6500万年前的那一天,如果有恐龙恰巧站在北美抬头看天空,会看到一颗星星越来越亮。事实上,那是一颗正以20公里每秒速度向地球高速飞驰而来的小行星。不久后,天空亮如白昼,这颗直径约10公里的小行星穿过了大气层,撞向墨西哥尤卡坦半岛海湾。小行星在海底撞出了一个直径约180公里的巨大陨石坑,释放的能量等效10亿颗广岛原子弹。高速撞击掘起大量海底物质抛向平流层。

巨大的海啸吞噬了整个墨西哥湾,沿岸变成一片汪洋。尤卡坦半岛方圆2400公里内的大气变得炽热,引发了巨大的森林山火。随着地球的转动,地球70%的森林被点燃。

全世界科学家提出了多种减缓小行星撞击威胁的招数。第一招:躲。如果预警时间较短,或者小行星尺寸不足以造成大的危害,可以像“地堡男孩”一样躲进地下掩体,暂避小行星的锋芒。第二招:炸。

在短期预警条件下,核爆是唯一能够有效摧毁小行星结构或者偏转小行星轨道的方法。第三招:“撞”。利用飞行器高速撞击小行星,在不破坏小行星结构的条件下,瞬间改变小行星的速度。第四招:“牵”。2005年美国华裔宇航员卢杰提出利用一个飞行器盘旋在小行星轨道前方,通过飞行器与小行星之间的万有引力“牵引”小行星,持续而缓慢地改变小行星的轨道,被称为引力拖车。第五招:“烧”。

使高能激光器作用于小行星表面,利用表面烧蚀产生的等离体子体喷射产生反作用力,持续偏转小行星轨道。第六招:“喷”。利用飞行器携带的离子推进系统产生高速的离子束,作用于目标小行星表面,对小行星产生持续作用力,进而改变小行星的运行轨道。第七招:“推”。利用飞行器捕获小行星或者将发动机锚定在小行星表面,直接利用发动机推力改变小行星轨道。

决定动能撞击防御小行星效果的关键因素是撞击体的动量。

动量由撞击体质量和撞击速度决定。由于强大的地心引力,利用人类最强大的运载火箭,发射到深空撞击小行星的轨道,撞击体重量一般也不会超过20吨。即使撞击速度可达到数公里每秒甚至十几公里每秒,面对千万吨级的小行星,几吨甚至十几吨的人造撞击体显得无比渺小。如此看来,人造撞击体的质量是动能撞击方案的一大制约因素。依据现有技术水平,难道动能撞击方案已经到达瓶颈了吗?

其实不然,既然“小行星重定向”任务能够捕获一颗百吨级空间岩石,并操控岩石变轨到地月空间,那么我们也可以操控这块岩石撞向危地小行星。

“以石击石”任务概念正是利用了空间中“就地取材”的思想,从地面发射无人航天器,在空间捕获岩石并操控其撞向危地小行星。这样便可以突破地面运载火箭能力的约束,将撞击体质量从十几吨显著提升到百吨级,最终显著提升小行星的偏转效率。值得一提的是,这块空间岩石并不是随便选取的,而是自然轨迹就与危地小行星擦肩而过的,这样,利用较少的燃料就可以操控岩石与危地小行星撞击。

如果有一颗大尺寸危地小行星将要撞击地球。

我们需要提前找到那颗与它“擦肩而过”的岩石母体。即使不变轨,在自然条件下,岩石母体与危地小行星的距离就比较接近,比如小于1500万公里、甚至150万公里。这样才能顺势“借力打力”,而不是强行改变岩石的轨道。

由于岩石自然的轨迹与危地小行星“擦肩而过”,在微重力环境下我们能够以“四两拨千斤”的方式,利用飞行器的推进系统轻微改变它的轨迹,使其从与危地小行星“擦肩而过”偏转到准确击中危地小行星,从而利用太空岩石的重量显著偏转危地小行星的轨道。

普遍认为核爆是唯一摧毁小行星结构的手段。但当撞击冲量足够大时,动能撞击也能够破坏小行星的结构,甚至彻底粉碎小行星。

大尺寸小行星结构破坏后,更可能在大气层中烧蚀和解体,从而降低对人类的威胁。研究表明,撞击能量超过100J/kg时,岩石类小行星的结构可能发生破坏。但关于小行星结构破碎的临界条件,还有待进一步研究。如果能彻底摧毁小行星,“以石击石”则可以将发挥效力的作用缩短至4年左右。当我们发现一颗直径超过百米的小行星在五年内将要撞击地球,除了核爆,我们又多了一种新的选择。

这种选择规避了在外太空使用“核”的风险和争议。

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