科普之窗

主动防御,给地球加点“保险”

冯杰

2022-11-23 01:56

李明涛
光明日报( 2022年11月17日 16版)

小行星撞地球是小概率事件,但它给地球生物带来的影响却可能是毁灭性的——据猜测,恐龙的灭绝很可能就是由小行星撞地球而引发。此前,人们已经能够测算出小行星的轨道,可以通过望远镜努力找出那些可能给地球带来威胁的“危险分子”。现在,人类保卫地球的能力再进一步:北京时间2022年9月27日,美国“双小行星重定向测试(DART)”任务在距离地球约1100万公里处,以约6.3千米/秒的速度成功击中“狄迪莫斯(Didymos)”双小行星系统中的子星“狄莫弗斯(Dimorphos)”,这标志着人类第一次行星防御任务完成了最关键、难度最高的撞击动作。

小行星撞击,来自太空的威胁

近地小行星是指轨道近日点距离在1.3Au(天文单位,等效日地平均距离,约1.496亿千米)之内的小行星。近地小行星在环绕太阳运行的过程中,受到木星等大行星引力牵引,存在撞击地球的风险。近地小行星撞击是人类社会面临的共同威胁和长期挑战,一旦千米级尺寸的近地小行星撞击地球,不仅会带来巨大的撞击灾难,甚至还会引发气候环境灾变和物种灭绝等严重后果。

根据科学家考证,地球历史上发生了22次不同规模的物种灭绝,至少10次与小行星撞击地球相关。有科学家认为6500万年前,一颗直径10千米的近地小行星撞击北美墨西哥湾地区。巨大的撞击能量,在海底形成一个直径约180千米的陨石坑,大量海底物质被抛射到空中。炽热的撞击溅射物引发了全球森林大火,燃烧的灰烬和溅射尘埃云进入了平流层,遮挡了大部分太阳光,全球温度骤降,植物光合作用受到影响,引发了地球气候环境灾变,最终导致了包括恐龙在内,全球70%的物种灭绝。

这次撞击导致统治地球长达1.6亿年的恐龙退出地球舞台,是地球历史上白垩纪结束和新生代开始的分水岭。也正是这次撞击事件后,体型更小、消耗资源更少的哺乳动物逐渐适应了恶劣的环境,逐步走向地球舞台中央,发展出今天高度发达的人类文明。

即使小尺寸近地小行星撞击地球也可能引发显著危害—2013年,一颗小行星“袭击”了俄罗斯车里雅宾斯克地区,“肇事”小行星的直径仅约18米,但仍然导致了接近1500人受伤、3000栋房屋受损。像这样的近地小行星,在太阳系中有数百万颗,超过99%我们尚未发现。

由此可见,开展行星防御是保卫人类自身、续存人类文明、保卫人民生命财产安全的必然要求,也是外太空人类命运共同体的重要体现。

开启行星防御时代

如何化解小行星撞地球的危险?这是全球天文学家们关注的焦点。“双小行星重定向测试”任务无疑是近年来最具挑战性,也最成功的尝试。这一任务由美国行星防御协调办公室(PDOC)立项支持,约翰霍普金斯大学应用物理(APL)实验室负责研制,总投资约3.9亿美元,其撞击器发射重量约为610公斤,于北京时间2021年12月24日搭乘猎鹰9号运载火箭发射。

它的目标是通过在深空环境中实施动能撞击小行星试验,测试动能撞击防御小行星的技术,并通过评估撞击后小行星轨道偏转效果掌握小行星的轨道偏转规律,从而为未来应对近地小行星撞击风险任务设计提供依据。这是人类第一个行星防御验证任务,标志着人类开启行星防御时代,象征意义重大。

难点有很多。“双小行星重定向测试”任务设计最大的挑战之一就是如何准确评估撞击后小行星的轨道偏转效果。要知道,小行星主要由岩石和金属等材料构成,一般直径百米级的近地小行星的重量可达百万吨甚至千万吨,而人造撞击器的重量仅有数百公斤至数千公斤,两者重量相差6~7个数量级,尽管撞击速度接近10千米每秒,但撞击后对小行星的轨道速度改变量可能甚至不足1毫米/秒(mm/s)——以人类现有天文观测能力,还难以在千万公里之外的超远距离,分辨出毫米/秒量级的轨道速度改变量。因此如何准确评估撞击后近地小行星的轨道偏转效果进而认识小行星的轨道偏转规律,是动能撞击试验的关键难题。

“双小行星重定向测试”任务通过选择试验对象为“狄迪莫斯”双小行星系统巧妙地解决了撞击偏转效果评估难题。双小行星系统是太阳系中广泛存在的一种小行星构型,在直径超过300米的小行星中大约15%是双小行星构型或者多小行星构型。在双小行星系统中,子星在主星引力作用下,运行在环绕主星的轨道上。毫米/秒量级的撞击速度改变量虽然不能显著改变小行星环绕太阳运行的轨道,但足以改变子星相对主星的绕转轨道,并导致子星相对主星的绕转周期改变。而子星相对主星的周期性运动会改变其反射的太阳光通量,利用望远镜对双小行星系统开展持续观测,就可以测量双小行星系统亮度的周期性变化,进而精确评估出撞击后双小行星系统的周期变化量。

“狄迪莫斯”双小行星系统中包括两颗小行星,主星“狄迪莫斯”直径约780米,子星“狄莫弗斯”直径约160米,两者距离约1.2千米,共同运行在环绕太阳运行的轨道上。子星“狄莫弗斯”像一台钟表一样,约每11.9小时环绕直径约780米的主星运行一圈。“双小行星重定向测试”任务通过“迎头撞击”改变子星相对主星的绕转轨道,预期使其绕转周期缩短约10分钟。

为了评估撞击效果,詹姆斯·韦布太空望远镜、哈勃太空望远镜、“露西”小行星探测器和“金石”雷达、ATLAS、甚大望远镜等太空和地面望远镜在撞击前后进行了持续观测监测,并进行全球直播。

望远镜获取的大量宝贵的视频和图像资料表明,“双小行星重定向测试”任务撞击器成功击中了目标,撞击试验产生了大量高速溅射物,双小行星系统的亮度瞬间增加10倍以上,在撞击后小行星形成了一条类似彗星“彗尾”的长达上万千米的溅射物“尾巴”,表明撞击试验取得了高度成功,产生了较好的试验效果。持续跟踪监测表明,撞击试验后,双小行星系统的绕转轨道周期从11小时55分缩短至11小时23分,显著超出了预期目标。

除了开展行星防御试验,“双小行星重定向测试”任务还有其他收获——突破了超远程高速撞击制导控制、非合作目标高精度自主导航、暗弱小天体探测识别等关键技术,开展了先进离子推进、卷轴式太阳能帆板等大量新技术试验,具有极强的技术牵引性和带动性,将推动深空探测、空间操作等领域的可持续发展。

例如,“双小行星重定向测试”任务首次开展了新一代离子推进系统在轨试验。离子推进系统具有极高的效率,相比传统化学推进高出一个数量级,被认为是深空探测领域最有前途的推进方式之一。再比如,“双小行星重定向测试”任务还首次在深空环境中开展了柔性卷轴式太阳能帆板试验,可为电推进系统提供充足的能源。这项技术验证的成功将提升小卫星的能源供应能力,极大地提升小卫星探索深空的能力。此外,“双小行星重定向测试”任务还验证了聚光太阳能电池阵列,比传统太阳能电池阵列效率提升3倍,未来或可使得木星等外太阳系行星探测不再需要核电源供电,从而降低任务成本等。

撞击成功,人类并非可以高枕无忧

“双小行星重定向测试”任务成功实施动能撞击小行星试验,开启了人类行星防御征程的第一步,但距离人类能够成功防御小行星尚有很大差距。

首先,“双小行星重定向测试”任务是人类精心设计的一次针对已知目标的试验。“狄迪莫斯”双小行星系统此前已经开展了多年观测,其轨道、大小、自转等数据,人类已经基本掌握。而行星防御真正的场景很可能是面对“突袭”——一颗新发现的、即将撞击地球的小行星。在这种场景下,小行星的轨道等特性可能并不完全确知,能否防御成功仍然需要打个问号。

其次,“双小行星重定向测试”任务撞击对象“狄莫弗斯”直径仅为160米,其主星直径为780米,目标比较大,那么,对于更小尺寸的小行星能否撞击成功尚需要验证。要知道,小行星尺寸越小,其亮度越暗弱,撞击难度也越高。但在短时间内,对地球威胁更大的是大量直径20米~50米级近地小行星,其撞击地球频率更高,能否成功撞击还需要进一步验证。

再次,“双小行星重定向测试”任务并没有直接改变小行星相对地球的位置关系,而实际行星防御场景需要偏转小行星相对地球的轨道,让小行星距离地球更远。“双小行星重定向测试”采用的偏转子星相对主星绕转轨道的间接方式,效果与真实防御场景仍然有较大差别。

最后,以人类目前科技水平,在10年以及更短的预警时间内,动能撞击技术仅能有效偏转直径几十米级近地小行星的轨道,对直径百米级近地小行星,动能撞击技术仍然难以有效偏转其轨道。

保卫地球,仍然任重道远。人类仍然需要创新发展新型防御手段,对持续牵引等防御手段进行综合验证。

在保卫地球的征程中,中国将作出更多贡献。2021年,中国国家航天局局长张克俭在中国航天日上表示:“站在新的历史起点,中国航天将论证实施探月工程四期、行星探测工程、建设国际月球科研站和近地小行星防御系统,拉开新时代探索九天的新序章。”2022年,中国国家航天局副局长吴艳华介绍,中国将着手构建近地小行星防御系统,并计划在2025年或者2026年实施一次动能撞击防御小行星实验。这意味着中国近地小行星防御系统已经进入实操阶段。

相信未来,中国一定可以在行星防御领域有所作为,为构建人类命运共同体、保卫地球生命安全贡献中国智慧、中国方案和中国力量。

(作者系中国科学院国家空间科学中心研究员)


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2022-11-23 09:55
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