當(dāng)小行星掠過空間站

李明濤

2021年11月24日，美國航空航天局“雙小行星重定向測試”航天器發(fā)射升空。這是美國航空航天局首次開展測試小行星軌道偏轉(zhuǎn)技術(shù)的任務(wù)，旨在提高防御小行星撞擊地球的能力。

實際上，每年都有大量小行星掠過地球。那么，小行星對于空間站來說，是否是潛在的危險？人類是否有能力提前預(yù)警并化解小行星對空間站的威脅呢？

小行星軌道類型 （圖片來源/ 美國航空航天局）

小行星被戲稱為“太空炸彈”，它們主要運行在火星和木星軌道之間的小行星帶上。絕大多數(shù)小行星對地球是無威脅的，但在大行星引力攝動和空間環(huán)境擾動作用下，一部分小行星會從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，就被稱為近地小行星。

按照近地小行星軌道與地球軌道的關(guān)系，可以將近地小行星分為阿莫爾型、阿波羅型、阿登型和阿提拉型。其中阿波羅型和阿登型近地小行星的運行軌道與地球軌道相交叉，可能會近距離飛掠地球，甚至闖入地球的大氣層。

小尺寸的小行星會在大氣層中解體，帶來空爆（如同扔出的手榴彈在目標(biāo)上空炸開的樣子，但其威力要大得多）等危害;大尺寸的小行星則會穿過大氣層，撞擊陸地或海洋，形成地震、海嘯、森林大火等災(zāi)難，甚至?xí)淖兊厍虻臍夂颦h(huán)境、引發(fā)物種滅絕。

6500萬年前，一顆直徑約10千米的近地小行星撞擊了北美墨西哥灣，形成了直徑約180千米的希克蘇魯伯隕石坑?？茖W(xué)家認(rèn)為，正是這次撞擊導(dǎo)致了包括恐龍在內(nèi)的全球70%的物種滅絕。2013年，一顆直徑約20米的近地小行星在俄羅斯中部烏拉爾山區(qū)的車?yán)镅刨e斯克地區(qū)上空爆炸（以下稱“車?yán)镅刨e斯克事件”），造成近1500人受傷、約3000棟房屋受損。

北京時間2020年11月13日凌晨1點21分，一顆直徑5～11米的近地小行星呼嘯著掠過地球，距離地表最近僅約380千米高度。此時，國際空間站和中國空間站正運行在高度約400千米的近地軌道上。這意味著，這顆小行星在“奔”向地球的過程中，穿越了空間站的軌道高度。很幸運，這顆小行星最終只是與空間站“擦肩而過”，而后以超過4.8萬千米的時速掠過地球。

?小行星撞擊很可能是導(dǎo)致白堊紀(jì)末期物種滅絕的主要原因

小行星在飛向地球的過程中，可能會經(jīng)過空間站所在軌道高度，理論上存在小行星撞擊空間站的可能性。但小行星撞擊地球的頻率非常低，像車?yán)镅刨e斯克事件中的這類直徑約20米的近地小行星，可能幾十年才會撞擊地球一次。而空間站主體尺寸長約100米，所以小行星在廣袤的軌道空間中撞上空間站的概率就更低了。對于空間站來說，更需要擔(dān)憂的是大量空間碎片，也就是我們所說的太空垃圾。

截至2022年2月，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過2.8萬顆近地小行星，并且以3000顆/年的速度發(fā)現(xiàn)新的近地小行星。在已經(jīng)編目的近地小行星中，還沒有哪顆近地小行星在未來百年內(nèi)會確定性撞擊地球。不過，還有大量近地小行星尚未被人類發(fā)現(xiàn)。據(jù)科學(xué)家分析，直徑140米級的近地小行星，可能造成中小型國家級災(zāi)難;直徑50米級的近地小行星，可能造成大型城市級災(zāi)難;直徑20米的近地小行星，可能造成城鎮(zhèn)級災(zāi)難。危險來自茫茫太空中，人類不知道下一顆近地小行星什么時候會撞擊地球。

?近地天體勘測者太空望遠(yuǎn)鏡概念圖 （圖片來源/美國航空航天局）

那么應(yīng)該如何應(yīng)對近地小行星帶來的潛在威脅呢？那就是“早發(fā)現(xiàn)”“早處置”。

“早發(fā)現(xiàn)”的目標(biāo)是盡量提前發(fā)現(xiàn)可能對地球有威脅的近地小行星，準(zhǔn)確測定其軌道，精確計算其撞擊地球的概率，精準(zhǔn)預(yù)報其撞擊地球的軌跡。

在“早發(fā)現(xiàn)”的基礎(chǔ)上，根據(jù)近地小行星的撞擊風(fēng)險和撞擊軌跡，合理制定處置決策。一般來說，提前預(yù)警的時間越長，可采取的處置手段就越多，處置成功的概率也越高。

發(fā)現(xiàn)近地小行星主要靠地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。但是，地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡受氣象、晝夜、大氣等因素影響，無法實現(xiàn)全天時、全天候工作。它只能在晴天少云的夜晚工作，且存在“白天方向”的監(jiān)測盲區(qū)，即如果近地小行星從太陽一側(cè)飛過來，它很可能“隱身”在陽光的背景之中，導(dǎo)致其在撞擊地球前，研究人員無法提前發(fā)出預(yù)警信息。比如，車?yán)镅刨e斯克事件發(fā)生在當(dāng)?shù)貢r間上午9點，沒有任何一家天文或航天機構(gòu)提前發(fā)出預(yù)警信息。

?小行星克洛帕特拉與智利的大小比較

如果把地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡放到天上去，就可以避開氣象、晝夜和大氣的干擾，實現(xiàn)全天時、全天候、接近全天區(qū)監(jiān)測。

科學(xué)家計劃在2026年發(fā)射近地天體勘測者太空望遠(yuǎn)鏡（NEO Surveyor）開展近地小行星監(jiān)測。它能持續(xù)跟蹤近地小行星，精確測量其軌道、類型、物質(zhì)成分，幫助科研人員計算出近地小行星撞擊地球或者空間站的概率，為處置小行星提供信息支持。

雖然近地小行星撞擊空間站的風(fēng)險要遠(yuǎn)低于撞擊地球的風(fēng)險，但如果通過監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)近地小行星有撞擊空間站的風(fēng)險，該怎么辦呢？

如果小行星只是撞擊空間站，而不撞擊地球，可以通過計算其撞擊軌跡，讓空間站提前實施規(guī)避機動。畢竟軌道空間這么大，空間站和小行星尺寸都很小，空間站只要稍微躲避一下，就可以規(guī)避近地小行星的撞擊威脅。

而如果近地小行星不僅僅撞擊空間站，也會撞擊地球，這時候就不能通過“躲避”來解決問題了，必須迎面應(yīng)對——對小行星實施軌道偏轉(zhuǎn)或者摧毀行動，在近地小行星撞擊地球之前消除撞擊風(fēng)險。

對付近地小行星的“武器”，包括核爆摧毀、動能撞擊軌道偏轉(zhuǎn)、引力拖車軌道牽引、離子束軌道偏移、激光燒蝕、拖船拖離等手段。這其中，最成熟可行的是動能撞擊軌道偏轉(zhuǎn)技術(shù)，也就是在小行星撞擊地球前，通過人造飛行器主動出擊，高速撞擊近地小行星，瞬間改變小行星的軌道速度。這樣隨著時間推移，近地小行星會逐漸偏離原本可能撞擊地球的軌道，從而消除撞擊風(fēng)險。

?“雙小行星重定向測試”航天器示意圖 （圖片來源/美國航空航天局）

國家航天局在2021年的中國航天日表示，中國將構(gòu)建近地小行星防御系統(tǒng)。相信在不久的將來，中國將為防御近地小行星、保障太空環(huán)境安全貢獻(xiàn)更多中國智慧、中國方案和中國力量！