小行星防御有“術(shù)”

李明濤

小行星帶在太陽系中的位置

2022年9月27日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）“雙小行星重定向測(cè)試（DART）”航天器成功撞擊一顆名為迪莫弗斯（Dimorphos）的近地小行星。這是世界上首次進(jìn)行旨在防御地球免遭小行星撞擊威脅的任務(wù)，揭開了人類小行星防御的序幕。

在電影《獨(dú)行月球》中，人類為抵御小行星撞擊，拯救地球，在月球部署了“月盾計(jì)劃”——通過在月球上發(fā)射核彈的方法摧毀來襲的小行星。

那么，如果有一天小行星真的來了，我們是否能通過這個(gè)方法來進(jìn)行自我防衛(wèi)？除此之外，還有其他辦法嗎？

天外飛“星”的真實(shí)身份

小行星是指太陽系內(nèi)，類似行星環(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)，但體積和質(zhì)量比行星小得多的天體，絕大多數(shù)的小行星都集中在火星與木星軌道之間的小行星帶。

大多數(shù)小行星對(duì)地球是無威脅的，但在大行星引力攝動(dòng)和空間環(huán)境擾動(dòng)作用下，一部分小行星帶向太陽系遷移，當(dāng)小行星進(jìn)入距離地球軌道4500 萬千米范圍內(nèi)時(shí)，就被稱為近地小行星。

科學(xué)家已探查到的近地小行星數(shù)量為30525顆，而且該數(shù)字仍在不斷增加。其中的1425顆小行星不排除碰撞地球、造成地球生物傷亡的可能，處于望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控之下。

改變小行星軌道——來自地球的反擊

此次“雙小行星重定向測(cè)試”是航天器在距離地球約1100萬千米處，以約6.3千米/秒的速度成功擊中迪迪莫斯（Didymos）雙小行星系統(tǒng)中的子星迪莫弗斯（Dimorphos），并改變了其運(yùn)行軌道。

研究顯示，撞擊后，迪迪莫斯雙小行星系統(tǒng)變亮10 倍以上，并且形成了一條長(zhǎng)達(dá)上萬千米的濺射塵埃尾。這表明人類首次動(dòng)能撞擊防御小行星試驗(yàn)取得了高度成功。

此次撞擊試驗(yàn)是為了驗(yàn)證動(dòng)能撞擊防御小行星技術(shù)而開展的。動(dòng)能撞擊是指利用航天器高速撞擊小行星，改變其的軌道，從而消除其對(duì)地球的威脅。

雙小行星重定向測(cè)試任務(wù)

美國(guó)國(guó)家航空航天局“雙小行星重定向測(cè)試（DART）”航天器即將撞擊一顆近地小行星概念圖

動(dòng)能撞擊是什么原理呢？原來，在高速撞擊作用下，小行星表面會(huì)高速噴射出大量濺射物，如同火箭噴出氣體獲得加速一樣，小行星會(huì)因?yàn)閲娚涑鰹R射物而獲得更大的速度改變量，從而發(fā)生軌道偏轉(zhuǎn)。

動(dòng)能撞擊的效果與撞擊速度和角度，小行星的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、孔隙率等復(fù)雜因素密切相關(guān)，難以通過理論進(jìn)行精確預(yù)測(cè)。測(cè)量濺射引起的動(dòng)量增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)而掌握小行星軌道偏轉(zhuǎn)規(guī)律，是開展動(dòng)能撞擊試驗(yàn)的主要目標(biāo)。

地面試驗(yàn)受限于尺度等因素，很難精確評(píng)估動(dòng)能撞擊小行星的效果，必須在太空環(huán)境中開展真實(shí)尺度的小行星撞擊試驗(yàn)，才能掌握防御小行星的規(guī)律，為未來應(yīng)對(duì)真實(shí)近地小行星撞擊威脅提供依據(jù)。

人類對(duì)付小行星的“招式”

除了動(dòng)能撞擊之外，科學(xué)家還研究及設(shè)想出多種對(duì)付小行星的“招式”，包括：

“炸”——在小行星表面或者內(nèi)部引爆核武器，將小行星摧毀；或者在小行星表面一定高度處引爆核武器，利用高能量射線蒸發(fā)小行星表面物質(zhì)，形成高速噴射羽流，來偏轉(zhuǎn)其軌道。

“拖”——在小行星表面安裝火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)推力改變其軌道。

“牽”——發(fā)射一個(gè)飛行器盤旋在小行星附近，通過萬有引力緩慢牽引，改變其軌道。

“燒”——利用高能量激光將小行星表面物質(zhì)氣化，形成高速噴射羽流，推動(dòng)改變其軌道。

“噴”——利用電推進(jìn)航天器噴射高速離子流到小行星的表面，改變其軌道。

牛頓第三定律

牛頓第三定律：相互作用的兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

核爆摧毀小行星概念圖（來源NASA）

“涂”——在小行星表面“涂”上一層“漆”，改變小行星的反射率，從而利用紅外波段的熱輻射壓力改變其軌道。

“拋”——在小行星上安裝挖掘機(jī)，挖掘小行星表面石塊，利用電磁彈射機(jī)構(gòu)將石塊高速拋出，在拋出石塊的同時(shí)，小行星就獲得了加速，從而改變其軌道。

以上這些“招式”，都沒有在太空中驗(yàn)證過，部分手段還處于構(gòu)想階段。除了動(dòng)能撞擊和核爆屬于瞬時(shí)作用防御手段，其他手段都屬于微弱力持續(xù)作用防御手段，有效發(fā)生作用往往需要10年甚至20年的預(yù)警時(shí)間。因此，目前公認(rèn)成熟的小行星防御手段還是動(dòng)能撞擊技術(shù)。

小行星防御的中國(guó)力量

中國(guó)在小行星防御方面雖然起步較晚，但開展的月球與深空探測(cè)事業(yè)為發(fā)展小行星防御技術(shù)提供了較好的積累。2012年，中國(guó)嫦娥二號(hào)探測(cè)器在完成月球和日地系統(tǒng)第二拉格朗日點(diǎn)拓展試驗(yàn)任務(wù)后，近距離飛越并探測(cè)了“圖塔蒂斯”小行星，成功獲取了它的光學(xué)圖像。中國(guó)小行星取樣返回任務(wù)天問二號(hào)已經(jīng)工程立項(xiàng)，預(yù)計(jì)于2025年左右發(fā)射，將對(duì)2016HO3近地小行星和311P主帶彗星開展探測(cè)，并將小行星樣本帶回地球。此外，中國(guó)正在著手組建近地小行星防御系統(tǒng)，爭(zhēng)取在2025—2026年內(nèi)實(shí)施一次對(duì)小行星既進(jìn)行抵近觀測(cè)，又實(shí)施就近撞擊——就改變它軌道進(jìn)行技術(shù)實(shí)驗(yàn)，為未來人類真正應(yīng)對(duì)小行星這種地外天體對(duì)地球家園的威脅，作出中國(guó)貢獻(xiàn)。

相信在不久的將來，面對(duì)小行星的撞擊威脅，人類再不會(huì)束手無措了！

嫦娥二號(hào)

（責(zé)任編輯 / 張麗靜 美術(shù)編輯 / 胡美巖）