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這一次，輪到中國科學家拯救世界了

來源：科研圈

發布時間：2021-07-23

瀏覽次數：743

　　地球從(cong) 未脫離小行星撞擊的威脅。在大部分人印象裏，拯救地球通常是好萊塢大片裏外國科學家的事。可這一次，將人類從(cong) 這種危機中解救出來的，可能是中國科學家。

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 米的巨大岩石，自 1999 年進入天文學家們(men) 的視野起，就得到了密切的關(guan) 注——它有兩(liang) 千多分之一的概率在下個(ge) 世紀撞擊地球。撞擊釋放的能量將達到 1200 兆噸 TNT 當量，是“小男孩”原子彈的 80，000 倍，足以對地球環境造成不可挽回的打擊，為(wei) 人類社會(hui) 帶來滅頂之災。

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

　　科學家們(men) 顯然不會(hui) 坐以待斃，把人類的命運交給兩(liang) 千分之一概率的天意。可惜半個(ge) 世紀以來的各種危地小行星（可能撞擊地球的近地小行星）偏轉或攔截方案，要麽(me) 是難度和成本過高而難以實現，要麽(me) 是效率過低，不能確保及時把小行星推離原有軌道。而我國中科院國家空間科學中心 2021 年 6 月發表在期刊《伊卡洛斯》（Icarus）上的“末級擊石”組合動能衝(chong) 擊方案（Assembled Kinetic Impactor， AKI），通過使用 20 多枚長征五號火箭，能夠將 Bennu 推離軌道，避開地球。“末級擊石”終於(yu) 把充分具有效率和可行性的行星防禦方案帶到了人們(men) 麵前，成為(wei) 了眼下從(cong) 隨時可能麵臨(lin) 的小行星撞擊危機中拯救人類的新希望。

　　無處不在的威脅

　　6500 萬(wan) 年前使恐龍滅絕的希克蘇魯伯（Chicxulub）撞擊並非是小行星撞擊導致大滅絕的孤例，規模不同的大型撞擊在百萬(wan) 年尺度上常有發生。直徑百米內(nei) 的小行星撞擊更是不計其數。考慮到地球曆史上曾發生的撞擊事件規模之大和現代不同規模撞擊事件的頻率之高，人類隨時可能麵臨(lin) 小行星撞擊的滅頂之災的說法不完全是危言聳聽。美國近地天體(ti) 和行星防禦非營利組織 B612 基金會(hui) 在 2018 年的報告中稱：“我們(men) 100% 確定會(hui) 被毀滅性小行星擊中，不能 100% 確定的隻是它何時發生。”物理學家史蒂芬·霍金（Steven Hawking）在他的最後一本著作《對宏大問題的簡短回答》（Brief Answers to the Big Questions）中也表示，地球麵臨(lin) 的最大威脅來自於(yu) 小行星撞擊。

NEOWISE 2013 - 2017 年的監測結果可視化。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/PSI

　　科學家們(men) 對危地小行星的擔憂由來已久，自 1992 年美國航空航天局（NASA）主辦近地天體(ti) 攔截研討會(hui) 起，相關(guan) 的風險監測和攔截偏轉方案研究就在不斷推進。2013 年啟動的近地天體(ti) 寬視場紅外測量探測器（NEOWISE）項目就開始對全太陽係的小行星進行監測，在主要任務期間發現了超過 15 萬(wan) 顆小行星，其中包含 1850 顆軌道可能與(yu) 地球軌道相交，存在撞擊風險的近地天體(ti) （Near Earth Object）。根據 NASA 的統計，截止 2021 年 7 月 19 日，已知的近地小行星數量已達 26，234 個(ge) 。

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

　　防禦難題

　　認識到太陽係中潛伏著如此之多的小行星殺手後，科學家們(men) 也開始提出多種類型的可能攔截偏轉方案：

　　· 操作一艘重型航天器靠近小行星，充當“引力牽引車”，用數十年的時間影響小行星的方向。

　　· 從(cong) 小型航天器發射激光以蒸發小行星上的物質，物質會(hui) 飛離表麵並產(chan) 生相反方向的推動力。

　　· 在地麵或小行星附近的空間設置鏡麵以聚焦太陽光，照射小行星表麵使物質脫落，從(cong) 而推動小行星。

　　· 如果小行星足夠堅固，就能令設備在其表麵著陸，利用火箭推動它。

　　· 給小行星塗漆以改變其熱特性，這樣陽光就會(hui) 改變它的方向。

　　· 在小行星附近引爆核武器，傳(chuan) 遞能量並將其推離軌道。

　　· 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，需要的時間都需以十年為(wei) 單位計算，效率過低，甚至比可能存在的超快小行星從(cong) 發現到撞擊前所留給人類的時間還要短。核爆方案又有潛在風險，違反了聯合國和平利用外層空間委員會(hui) （COPUOS）禁止在太空部署武器的規定。目前看來唯一可行的方案隻剩下了最後一個(ge) ：動能衝(chong) 擊（Kinetic Impactor）。人類已經掌握了向太陽係內(nei) 發射航天器的能力，雖然單個(ge) 航天器衝(chong) 擊小行星所能傳(chuan) 遞的動量不多，但一個(ge) 不夠，可以發射兩(liang) 個(ge) ，還不夠，就十個(ge) 。

　　NASA 在 2018 年也確實提出過這種樸素的具體(ti) 構想——超高速小行星應急響應任務（HAMMER）——假想目標同樣是小行星 Bennu。NASA 的模擬表明，在 Bennu 與(yu) 地球相撞之前，進行 34 - 53 次 HAMMER 發射，每次使用一枚 8 噸重的航天器進行撞擊，就能確保 Bennu 軌道避開地球。這一假想任務成本頗高，需要的大量發射次數也使任務周期難以壓縮，但若能成功實施，確實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，背負拯救人類使命的小行星偏轉計劃如果未經演習(xi) ，誰也不敢保證它能在真正麵臨(lin) 撞擊風險之時“一發入魂”。演習(xi) 不能省，但當演習(xi) 的“軍(jun) 費”數額擺在麵前的時候，人們(men) 或許就打起了退堂鼓。近些年，NASA 和五角大樓之間就在誰來承擔這類研發任務成本的問題上踢起了皮球。NASA 認為(wei) 雖然這項任務的主要工作是研發，但本質上並非為(wei) 科學探索服務，而是一項防禦任務，因此希望看到軍(jun) 方來領導工作。但軍(jun) 方卻將有關(guan) 問題推回給了 NASA。

　　直接動能衝(chong) 擊的測試任務最終未能上馬。目前唯一有確切計劃的籌備中項目是 NASA 與(yu) 歐洲航天局（ESA）合作耗資 2.5 億(yi) 美元（約 16 億(yi) 人民幣）的雙小行星重定向測試（DART），計劃於(yu) 2021 年底或 2022 年初發射，撞擊位於(yu) 地球和火星之間的雙小行星係統欒大星係統（Didymos System，也稱迪迪莫斯雙小行星係統）中直徑約為(wei) 160 米的衛星欒小星，改變其軌道周期，進而改變係統中的引力作用，以此間接偏轉欒大星。這一任務隻需一次發射，航天器質量也僅(jin) 為(wei) 610 千克。

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

　　有理由相信 DART 構想的可行性和有效性。但這樣的方案僅(jin) 適用於(yu) 雙小行星係統，對於(yu) Bennu 這類一般的孤立小行星卻無效。麵對 Bennu 和更多潛在危地小行星的撞擊威脅，人類又該何去何從(cong) 呢？

　　末級擊石

　　這一次，肩負起拯救人類的使命的或許是中國航天科學家和工程師們(men) 。中科院國家空間科學中心提出了改良的航天器末級組合動能衝(chong) 擊方案（AKI）“末級擊石”：有別於(yu) 傳(chuan) 統動能衝(chong) 擊（CKI）方案，航天器進入深空逃逸軌道後，火箭末級與(yu) 航天器不實施星箭分離，由航天器操控末級組合體(ti) 撞向危地小行星。這能充分利用火箭末級的剩餘(yu) 重量，提升撞擊小行星的動量，進而提升小行星軌道偏轉能力。

“末級擊石”行星防禦任務方案示意圖片來源：中科院空間科研中心

　　團隊設計了使用長征五號火箭（CZ-5）發射“末級擊石”任務的方案，計算模擬顯示，單發 CZ-5 AKI 的小行星偏轉效果超過了 CZ-5 CKI 的 3 倍。在十年內(nei) 偏轉直徑 140 米的小行星軌道的任務中，末級擊石可將偏轉距離由不足一倍地球半徑提升至一倍地球半徑以上，為(wei) 十年預警時間條件下直徑 140 米級危地小行星的偏轉提供了一種潛在高效技術手段。而在直徑約 500 米的 Bennu 小行星轉向任務中，如果使用末級擊石策略，隻需要發射 20 多枚 CZ-5 就足以完成偏轉，令其軌道避開地球，遠低於(yu) HAMMER 計劃所需的 34-53 次發射。

AKI 末級擊石與(yu) CKI 的防禦效果對比。圖片來源：論文截圖（未經同行評議的 arXiv 版本，與(yu) 正式發表版本的內(nei) 容基本一致）