如何阻止'末日'小行星撞擊地球

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Image caption (圖片來源: Getty Images)

如果天文觀測台證實一顆小行星即將與地球相撞,航天大國都表示應該採取行動。接下來發生的事情將取決於天文觀測所測算的我們有多少時間來阻止相撞。這些選擇並非易事,且其中至少有一種方案需要用到核武器。

大規模行星撞擊地球事件是罕見的。上一次造成大規模傷亡的事件是在1908年的通古斯(Tunguska)大爆炸,科學家們認為在這次事件中,一顆隕石在西伯利亞(Siberia)的一個偏遠地區十公里左右的上空發生爆炸。

此類撞擊事件大概幾百年發生一次。西伯利亞是一片人跡罕至的地方,即使今天仍然地區廣闊,人口稀少。如有相同大小物體將在4-5小時後撞上地球,其影響力對於聖彼得堡這樣的大城市相當於受到一個萬噸級的核爆炸當量的衝擊。

Image caption 1908年一顆隕石在西伯利亞的通古斯地區爆炸,造成了大範圍的破壞。(圖片來源: Science Photo Library)

最近的另一次小規模撞擊事件使我們再一次感受到了類似這種噩夢般的場景。車裏雅賓斯克小行星撞擊事件(Chelyabinsk Meteor)發生在2013年俄羅斯西部的一個城市。隕石在30公里高度發生爆炸,建築物玻璃破碎,導致1400多人受傷。爆炸相當於500000噸–約30個左右的廣島原子彈的威力,但由於爆炸點較高,因此並未摧毀太多建築。此類規模的爆炸每年發生三次左右,較為常見。而其中大多數發生在海洋或偏遠地區,所以通常我們不會注意到。但問題不在於撞擊是否會發生,而是什麼時候發生。

各國政府都在嚴肅對待這個問題,並採取了試探性措施防止危險撞擊事件。在今年一月,美國航空航天局(Nasa)設立了行星防禦協調辦公室(Planetary Defense Coordination Office),用來作為行星觀測和與各國其他航天機構協調交流的機構,討論如何處理大型隕石與地球的碰撞所產生的問題。

美國宇航局的行星防禦官(planetary defense officer)林德利.約翰遜(Lindley Johnson)說目前,行星防禦協調辦公室(PDCO)的主要工作在於檢測、協調各種觀測項目。「因為你只有確定了他們的位置才能討論應對措施。」「這些年,將近幾十年以來我們一直在提前預測任何有可能會造成威脅的物體,」他說。一旦危險的小行星位置確定,應對計劃就會應然而生。

最簡單可行的方法是一種類似行星台球的方法,用空間探測器發送一個有分量的物體(或探針本身)砸向行星。然後,這顆小行星或將會被推離既定軌道,避免與地球發生碰撞。

歐洲航天局(European Space Agency)和美國航空航天局聯合制定的小行星偏移&評估任務計劃(Aida)將在未來幾年驗證該方案的可行性。該項目包含兩個航天器,一個叫做小行星撞擊任務(AIM),將在2020年底發射,第二個是雙小行星改道測試任務(DART),預計於2021年發射升空。

兩個航天器將於2022抵達目的地—代號為65803的迪代莫斯(Didymos)行星,該小行星另有一顆伴星-迪代莫恩(Didymoon)。迪代莫斯直徑780米,迪代莫恩直徑為170米。較小的行星環繞較大的行星一圈的時間為11.9小時,兩者之間只有1100米的間隔。AIM飛行器將瞄凖小行星並研究其成分,DART飛行器抵達後將直接撞向迪代莫恩,之後AIM飛行器將對撞擊表現進行分析。執行此任務的目的在於研究到底人類能在何種程度上能夠左右行星的運行軌道,而不至於將其送上危險的軌道上。這是改變行星運行軌跡的第一步。

Image caption 迪代莫斯大小的石塊撞擊地球所造成的破壞威力相當於一個幾百萬噸級的核彈。(圖片來源: Getty Images)

為了更好的理解此次任務的潛力,不妨看一下美國亞利桑那(Arizona)州著名的隕石坑(Meteor Crater),而造成這個直徑為1.18公里隕石坑的隕石體積大概只有迪代莫恩三分之一大。一個類似迪代莫斯體積的隕石與地球發生撞擊的速度大概在每秒鐘15.5公里,這也是其飛行的最低速度,其爆炸當量相當於兩兆噸的能量,可以輕而易舉的夷平一座城市。在其飛行的最大速度(約34.6公里/秒)時能夠釋放約四兆噸能量–相當於四百萬噸TNT當量的衝擊力。

「我們想改變初級月球運行的軌道,」法國國家科學研究中心(National Centre for Scientific Research)的高級研究員,AIDA的團隊倡導者之一,帕特里克米歇爾(Patrick Michel)說,「因為月亮在原軌道速度只有每秒19厘米。」即使是很小的變化也可以從地球測量中檢測到,他補充說,這樣的變化能夠改變迪代莫恩的軌道運行週期約四分鐘。

撞擊器工作的有效性也是一個重要指標。」我們所做的有關[影響]的模型是基於實驗室規模-百分之一厘米大的目標-的碰撞物理學的理解,」米歇爾說。這些模型是否影響真實存在的小行星仍然是一個懸而未決的問題。

約翰遜補充說,該技術是目前最為成熟的–人類已經證明能夠接觸到小行星的能力,特別是探索灶神星(Ceres)的黎明號使命和歐洲航天局探索彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的羅塞塔任務。

除了使用撞擊器的方法,科學家們還利用重力–直接在行星運行軌道中放入一個大型的航空飛船,並利用兩個飛行物之間的相互引力將其推入一個新的運行軌道。這種方法的好處是飛船抵達行星附近就可以實行。軌道將成為一個「光環」,一個以某點為圓心的圓形的路徑,其對物體的引力相當太陽對於行星的引力作用。美國航空航天局的小行星改道任務可能會間接測試這個想法;該計劃的一部分是將一顆小行星引回近地空間。

Image caption 直徑為250米的行星就足以造成阿里桑拿州隕石坑規模的破壞。(圖片來源: Science Photo Library)

然而,在這些方法中的一個關鍵因素是時間。需要整整四年才能實施一個脫離地球軌道的太空發射任務,此外航天器需要再花一到兩年時間才能抵達相關行星。如果時間不夠,我們恐怕不得不嘗試其他方法。

位於聖塔巴巴拉(Santa Barbara)的加利福尼亞大學(University of California)的物理學家張啟程(Qicheng Zhang)認為激光可以提供另外一種途徑。激光不會像一顆死星(Death Star)那樣把小行星炸毀,相反,它會蒸發行星表面的一小部分物質。在實驗宇宙學家菲利普.魯賓(Philip Lubin)的帶領下,張和他的同事向太平洋天文學會(Astronomical Society of the Pacific)提交了一份關於模擬軌道的學術論文。

Image caption 成功登錄彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的任務表明人類有能力攔截行星。(圖片來源: Science Photo Library)

這看起來似乎沒什麼效果,但請不要忘記,如果時間充裕下手早,僅僅是輕輕的一推就能將行星推離軌道數千公里。張說使用激光的優點在於可以在地球軌道上建造一個大的固定激光設備,而不需要去追著行星走。一個一千兆瓦級功率的激光持續運行達一個月的時間就可以將一個80米寬的(264ft)小行星–相當於造成通古斯大爆炸的行星尺寸–推離出相當於兩個地球半徑的距離(約8000英里,或12800公里)。這樣就足以避免撞擊了。

這種想法的另一個做法是發送一個搭載了較低功率激光的飛船,在這種情況下,飛船必須到達小行星附近並保持近距離飛行。由於激光相對較弱--20千瓦左右--這將花費數年才能產生效果。不過張的模擬測試顯示,如果激光能夠提前十五年到達行星位置,也可以將其推出需要的距離。

張認為他的環地球軌道建議的一個優點在於儘管人類已經成功完成在軌追蹤行星或彗星,但實際上任務本身很有難度。羅塞塔計劃(Rosetta)原本的目標是另一顆彗星(46P),但是由於發射時間的延遲導致不得不臨時更換目標,因為46P所處位置發生了變化,不便於追蹤。「如果一顆彗星的運行目標是地球的話,恐怕我們沒有那麼多時間更換這個目標了」。小行星不是很難追蹤,但仍然需要三年左右的時間才能抵達,」他說。

而約翰遜則注意到了一個大問題,至今沒有人能夠發射一個任何一種尺寸為一公里長的物體進入太空,更不要提一系列激光了。「該方法有很多問題我認為並不成熟,例如如何將太陽能轉換為激光使其可以進行長時間有效運轉就是其中之一。」

除此之外,還有一種選項是使用核能。如果你看過電影《世界末日》或《天地大衝撞》的話你會覺得這個選擇很簡單直接,但實際上比聽起來難多了。」你需要把整個基礎設施發射到太空,」斯凱萊德大學(University of Strathclyde)的馬西米利亞諾.瓦西里(Massimiliano Vasile)說。他提出了距目標一定距離引爆核炸彈的提議。如同激光方法的原理,該計劃將蒸發行星表面物質由此產生助推力,改變行星的運行軌道,」如果採用消融[侵蝕]的辦法,這樣的辦法能效比很高,」他說。

Image caption 2013年車裏雅賓斯克小行星之所以沒有造成太大傷亡的原因在於小行星在高空就發生了爆炸。(圖片來源: Science Photo Library)

激光與核彈在接近行星時可以發揮作用,而行星表面的物質成分將是一個主要因素,因為成分本身將決定蒸發溫度,不同行星各有不同。另一個問題是飛出來的碎石。有許多的小行星其實就是一堆鬆散石塊的集合體。一個撞擊器對於這樣的物體效果不大。重力牽引法則更為有效,約翰遜指出,成分與物質之間的粘合度並不重要。

然而,所有這些方法終將遇到一個共同的障礙:政治。1967年的《外層空間條約》禁止在外太空進行核武器試驗,在太空軌道上部署一個千兆瓦的激光設備會令人緊張。

張指出,如果將在軌激光設備的功率降低到0.7千兆瓦,那也僅僅能夠將小行星推離約0.3個地球半徑,也就是約1911公里。「能夠將一座城市夷為平地的小行星比巨型的行星殺手更為常見。現在想一下,這樣的一顆小行星正在向紐約城飛來,試圖或者未能完全改變小行星運行軌道有可能會將撞擊點轉移到倫敦,試想如果面臨這樣巨大的風險,歐洲人是不會同意由美國人來主導改變行星軌道的。」

這種障礙或許比預期的要少。」在這些條約中有一個免責條款,「約翰遜指的是《外太空和綜合測試禁止條約》(Outer Space and Comprehensive Test Ban Treaties)。例如該條約並不禁止向太空發射攜帶核武器的彈道導彈。出於行星防禦系統的需要,批評者或許會保持沉默。

米歇爾說與任何其他自然災害相比,這個災害我們是可以避免的。」發生這樣的自然災害的機率非常低,不像是海嘯什麼的。但這是我們唯一可以提前預防的災害。」

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(責編:林杉)

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