如何科學地“杞人憂天”——關於小行星撞擊那些事丨Calling太空_風聞

編者按：“浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索”，為此，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設“Calling太空”科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。

明天晚上，將有一顆泰山大小的近地小行星2016 AJ193從地球附近高速飛過。不過還好，這個小行星這次不會撞擊地球，只是路過。我們今天就來談一談，小行星撞擊那些事。

小行星是什麼？

138億年前，“嘭”，宇宙從一個體積無限小、温度無限高的“奇點”開始了時間和空間的膨脹之旅，物質和能量也由此產生。隨着温度的降低，質子、中子、電子逐漸形成了化學元素，物質微粒相互吸引、融合，形成了越來越大的團塊，凝聚成星雲。

圖1 宇宙大爆炸

46億年前，太陽系還是一團氣體和塵埃構成的星雲。突然，一顆鄰近的超新星爆發，釋放出巨大的能量。太陽星雲在衝擊波壓力作用下坍塌，氣體和塵埃向中間聚集。在引力和碰撞作用下，太陽星雲中絕大部分物質形成了太陽、八大行星和矮行星，構成了太陽系這座雄偉建築的主體結構。在軌道上散佈的殘餘“磚瓦”，形成了太陽系中星羅棋佈的小天體。

圖2 從太陽星雲到太陽系

小天體是軌道環繞太陽運行、體積和質量明顯小於行星和矮行星的天體，包括小行星和彗星。彗星是由水冰和碎石構成的“髒雪球”，在靠近太陽時，會形成明亮的慧尾。小行星則主要由岩石構成，成分包括碳質化合物、硅酸鹽和金屬，部分小行星含有水合礦物。

圖3 小行星（左）和彗星（右）

小行星與八大行星都源於太陽星雲，具有類似的物質組成。大部分小行星尺寸較小，沒有經歷熔融和分異過程，沒有云雨、火山、地震等氣象和地質活動，還保留着太陽系形成早期的原始物質組成。有科學模型認為，地球上水及生命起源的關鍵物質也可能是隨小行星撞擊來到地球。因此研究小行星對揭示太陽系起源與早期演化、地球上生命和水的來源等重大科學問題具有重要意義。

小行星為什麼會撞地球？

小行星主要分佈在火星和木星軌道之間的小行星帶上。有科學家認為，此處原本應該有一顆行星，但由於塊頭巨大的木星過於“貪吃”，吸積了太多的物質，導致沒能形成新的行星，取而代之的是岩石密集分佈的小行星帶。

圖4 小行星帶

小行星在太陽系運行，除了受太陽引力主導，還受到木星、土星、火星、地球、金星等太陽系行星的引力影響。其中，木星是太陽系最大的行星，它的質量是太陽系其他七大行星質量之和的2.5倍，被稱為是太陽系行星之王。因此，木星的引力對小行星的軌道演化具有極其重要影響。

木星環繞太陽運動的公轉軌道週期約為11.86年。如果小行星軌道公轉週期與木星軌道公轉週期成一定比例關係，就會與木星軌道發生共振。比如小行星環繞太陽三圈，木星恰好環繞太陽運行一圈，則小行星與木星就形成了3:1軌道共振。在軌道共振效應下，小行星的軌道會週期性地被木星引力“拉扯”，從而使得小行星的軌道不再穩定。

1866年，美國天文學家柯克伍德發現了小行星帶存在某些軌道“間隙”，這些間隙處沒有小行星存在。間隙處的軌道週期恰好與木星軌道週期呈現共振關係。該間隙被觀測證實，被稱為柯克伍德間隙。

圖5 小行星帶的“柯克伍德空隙”

木星的引力“拉扯”會改變小行星的軌道形狀，使得小行星的近日點不斷接近內太陽系，從而有機會近距離飛掠火星、地球等大行星。如果距離足夠近，大行星引力就會像“彈弓”一樣，給小行星瞬間“加速”或者“減速”。在“引力彈弓”效應作用下，小行星離開小行星帶，進入內太陽系。

一旦小行星軌道進入地球軌道4500萬公里範圍內，就被稱為近地小行星。截至2021年 8月19日，已經發現了26830顆近地小行星。在行星引力、太陽光壓、小行星自身紅外輻射壓等攝動力作用下，近地小行星可能會以極近的距離與地球擦肩而過，甚至闖入大氣層，撞擊陸地和海洋，造成重大潛在危害。

地球歷史上發生了哪些小行星撞擊事件？

地球自誕生以來，經歷了無數次小行星撞擊事件，在地球表面上留下了大量撞擊坑，深刻塑造了地球的氣候生態環境，並造成了多次不同規模的生物滅絕。

希克蘇魯伯事件

6500萬年前，一顆直徑約10公里的小行星撞擊了北美墨西哥灣尤卡坦半島的一處淺海，形成了世界第三大撞擊坑——希克蘇魯伯撞擊坑。

小行星以20公里每秒的速度高速進入大氣層，擠壓和摩擦大氣，形成強烈的衝擊波和灼熱的熱輻射，瞬間點燃了周圍的森林，並在數小時內傳導到全球，引發全球森林大火和海嘯。小行星衝入海底，形成了直徑約180公里的希克蘇魯伯撞擊坑。

高速撞擊掘起了海底物質，形成了大量粉塵。煙霧和粉塵進入平流層，遮蔽了太陽光，導致了全球温度驟降，地球進入一個長達幾十年的“冬天”。植物光合作用近乎停滯，地球生態鏈遭到巨大破壞，植物和以植物為生的動物生存受到影響。氣候環境的驟變對地球生物造成了毀滅性打擊，最終導致了包括恐龍在內的全球超過70%的生物滅絕。

圖6 希克蘇魯伯隕石坑

希克蘇魯伯撞擊事件標誌着白堊紀的結束和新生代的開始。統治地球長達1.6億年的恐龍退出了地球舞台，哺乳動物從爬行動物巨大的陰影下走出來，逐漸站上了地球舞台，併成為地球的主人，演化成今天高度發達的人類文明。

通古斯事件

通古斯大爆炸（Tungus Explosion）是1908年6月30日早上發生在俄羅斯西伯利亞通古斯河上空的爆炸事件，也是近200年來，地球遭遇的最大規模的撞擊事件。

爆炸發生於北緯60.55度，東經101.57度，當時估計爆炸威力相當於2千萬噸TNT炸藥，等效約1000顆廣島原子彈。爆炸產生的衝擊波造成超過2150平方公里內的8千萬棵樹焚燬倒下。

據報道，當天早上當地人觀察到一個巨大的火球劃過天空，其亮度和太陽相當。幾分鐘後，一道強光照亮了整個天空，稍後爆炸產生的衝擊波將附近650公里內的窗户震碎，並且觀察到了蘑菇雲的現象。這個爆炸被橫跨歐亞大陸的地震監測點所記錄，其所造成的氣壓不穩定甚至由在英國的氣壓自動記錄儀所記錄。在事發後數天內，亞洲與歐洲的夜空呈現出暗紅色。

圖7 通古斯大爆炸後的森林（圖片來自網絡）

現場沒有發現任何隕石，人們至今無法判斷該撞擊體是小行星還是彗星。主流的科學觀點認為通古斯事件是一顆直徑30-50米的小天體撞擊導致的。

值得注意的是，通古斯大爆炸發生在上午7時17分（UTC零時17分），説明這個小行星是從晨昏線方向飛過來的。這類小行星在陽光的掩護下接近地球，即使地面上有光學望遠鏡，可能也很難提前發現這類小行星 。

2016年12月6日，聯合國大會通過第A/RES/71/90號決議，宣佈6月30日為國際小行星日，每年在國際一級紀念1908年6月30日在俄羅斯聯邦西伯利亞通古斯大撞擊事件，並提高公眾對小行星撞擊危險的認識。

車里雅賓斯克事件

2013年2月15日，葉卡捷琳堡時間9時20分，一顆直徑約20米的小行星，以約18公里每小時的速度撞擊了俄羅斯車里雅賓斯克地區，是本世紀規模最大的一次撞擊事件。

圖8 車裏雅賓客隕石事件

這也是一起白天發生的撞擊事件，小行星從太陽方向高速飛過來，在小行星爆炸之前沒有任何一個望遠鏡能夠提前發現它。直到小行星在大氣層中爆炸，才被美國的氣象衞星拍到。

圖9 車裏雅賓客隕石事件造成人員受傷

該小行星在車里雅賓斯克地區上空約30公里高空爆炸，等效約30顆廣島原子彈當量。爆炸瞬間的光芒超過了太陽，約兩分鐘後，產生的衝擊波到達地面，擊碎了約3000棟房屋的玻璃，飛濺的玻璃導致約1500人受傷。整體損失超過10億盧布（約3億人民幣）。

車里雅賓斯克隕石事件是人類第一個有豐富影像資料的小行星撞擊事件。許多人用行車記錄儀等設備記錄了爆炸的過程及事後的爆炸餘跡。車里雅賓斯克事件給人們帶來極大震撼，開始讓更多有識之士正視行星防禦。

2013年12月聯合國大會通過了成立近地小行星監測預警組（IAWN）和空間任務規劃諮詢組（SMPAG）的草案。前者主要目標是協調全球觀測資源，提前發現並編目對地球有威脅的近地小行星。後者主要目標是研究小行星撞擊應對方案，為未來可能發生的近地小行星撞擊事件未雨綢繆。

如何防禦小行星？

按照處置目標，處置小行星的手段可以分為摧毀和偏轉兩類。

圖10 小行星在軌處置技術

摧毀是通過巨大的能量破壞小行星的結構，使得小行星解體為大量的小碎塊。即使碎塊撞擊地球也會在大氣層中空爆，從而降低小行星撞擊對人類的危害。摧毀需要巨大的能量，並且摧毀不同結構、物質組成的小行星需要的能量不同，往往需要使用核裝置才能夠徹底摧毀小行星。實際操作中，使用核武器防禦小行星存在極大的爭議。

偏轉是通過人造裝置對小行星施加外力，從而改變小行星的軌道，使小行星從撞擊地球的軌道偏離，最終以安全的距離飛越地球。按照施加外力的作用方式，可以分為瞬時作用處置手段和持續作用處置手段。

瞬時作用處置手段是指在極短時間內對小行星施加較大的作用力，瞬間改變小行星的軌道，主要包括動能撞擊和對峙核爆兩種處置手段。持續作用處置手段是指持續施加微小作用力在小行星上，緩慢改變小行星的軌道，主要包括引力拖車、離子束偏移、激光燒蝕、拖船等方式。

儘管人類提出了多種近地小行星在軌處置手段，但大部分技術要麼成熟度低，要麼需要的作用時間過長。迄今為止，人類仍然沒有實施過一次真正的、以行星防禦為目標的近地小行星在軌處置任務。如果有一天，一顆直徑140米甚至更大的近地小行星撞擊地球，人類仍然沒有太好應對之道。

傳統動能撞擊為什麼需要那麼多發運載火箭？

在所有的非核處置手段中，最成熟可行性的是動能撞擊技術。動能撞擊是指通過火箭發射人造撞擊器高速撞擊近地小行星，瞬間改變近地小行星的軌道速度，隨着時間推移，小行星逐漸偏離地球。美國宇航局將於2021年底至2022年初，發射“雙小行星重定向測試（DART）”任務，利用一顆約600公斤的撞擊器以約6.5公里/秒的速度撞擊“迪迪莫斯”雙小行星系統中的“小月亮”。預期撞擊後，小月亮“迪莫弗斯”相對“迪迪莫斯”的繞轉軌道週期能有分鐘級改變，屆時通過地面望遠鏡觀測到繞轉週期變化。

圖11 雙小行星重定向測試任務

動能撞擊任務對近地小行星的軌道偏轉效果主要取決於兩個因素：撞擊器對小行星的動量改變量、從撞擊小行星到小行星抵達近地點的時間。在時間有限的條件下，如何提高撞擊器的動量成為提升動能撞擊效果的關鍵。而撞擊體動量取決於撞擊體重量和撞擊速度。

受制於運載能力等限制，人造撞擊體的重量一般為噸級。相比於百萬噸級乃至千萬噸級的近地小行星，即使撞擊速度可達10km/s，但對小行星的速度改變量仍然為mm/s量級，比螞蟻爬行速度還慢。

一般而言，要在十年之內將近地小行星偏轉出一個地球半徑的安全距離，需要達到cm/s速度增量。而目前噸級航天器對百米直徑小行星僅能產生 mm/s的速度增量。

為了提升動能撞擊效果，一個自然的思路就是多發撞擊：利用多發運載火箭，發射多個撞擊器，依次撞擊近地小行星，從而提升累計撞擊效果。

貝努小行星直徑約492米，該小行星在未來存在撞擊地球的可能。為了評估動能撞擊偏轉小行星軌道的效果，美國宇航局戈達德航天中心等單位研究瞭如何提前10年發射撞擊器將貝努小行星的軌道偏離地球約1.4個地球半徑。

圖12 貝努小行星

仿真採用的運載火箭為德爾塔IV重型火箭，全世界現役能力第二的運載火箭，僅次於獵鷹重型火箭。德爾塔IV重型火箭的地球低軌道運載能力約為28.8噸，同步轉移軌道運載能力約為14噸。根據戈達德航天中心計算，採用動能撞擊任務，提前10年將貝努小行星軌道偏轉1.4個地球半徑，需要75枚德爾塔四重型火箭。

長征五號運載能力稍遜於德爾塔四重型火箭，地球低軌道運載能力為23噸，同步轉移軌道運載能力為13噸。我們利用長征五號進行了同樣的計算，提前10年將貝努小行星軌道偏轉1.4個地球半徑，需要79枚長征五號。

圖13 德爾塔四重型（左） 和 長征五號（右）

顯然，利用多發撞擊偏轉大尺寸小行星，不僅成本高昂，工程實施也將十分困難。除了多發撞擊，那有沒有什麼更好的辦法呢？

末級擊石

運載火箭存在助推級、一級、末級，部分火箭還存在二級、三級、甚至四級。對於長征三號這樣的三級運載火箭，末級就是火箭的第三級。

在傳統的航天發射活動中，運載火箭將航天器送入預定軌道後，火箭也會進入目標軌道附近。這時要實施星箭分離動作，因為火箭末級不是航天器的功能模塊，如果不分離火箭末級甚至會影響航天器安全。火箭末級分離後，就成為在太空中游蕩的空間垃圾。為了避免末級對太空環境的影響，有時候還會對末級進行鈍化和離軌操作。

圖14 長征三號乙飛行程序

對於動能撞擊任務，提升撞擊器動量的關鍵在於提升撞擊器的重量。思考一下，火箭末級將動能撞擊器送入深空逃逸轉移軌道後，火箭末級自身在哪裏？出租車要把我們帶到目的地，出租車自身也要到達目的地。因此動能撞擊器進入深空逃逸軌道後，火箭末級自身也進入深空逃逸轉移軌道，如果發射十分精準，火箭末級將和動能撞擊器一起飛向小行星。

那我們能不能星箭不分離，利用動能撞擊器操控火箭末級共同撞擊小行星？這樣做就可以充分利用火箭末級的重量，提升動能撞擊器的撞擊效果。

圖15 長征五號末級

長征五號是我國現役最強火箭，我們經過與長征五號設計部門的設計師溝通，得知長征五號的末級乾重約為6.5噸，如果考慮燃料冗餘，還會更重。如果能夠將長五末級作為動能撞擊器的一部分，將能夠極大提升對近地小行星的軌道偏轉效果。

同樣以提前10年將貝努小行星偏轉1.4個地球半徑為例開展了仿真，我們驚喜地發現，發射數量從79枚長征五號減少到了23枚長征五號。

表1 末級擊石與傳統動能撞擊對比（β=1）

單枚長征五號發射“末級擊石”撞擊器對近地小行星的軌道偏轉效果，相當於三枚長征五號發射傳統撞擊器對近地小行星的軌道偏轉效果。

圖16 末級擊石

從79枚縮減到23枚，無疑將極大地節省防禦近地小行星的工程成本和操作複雜性。考慮到實現同樣的軌道偏轉效果，美國宇航局的方案中使用了75枚德爾塔IV重型火箭，充分説明了“末級擊石”的效率。

前面仿真忽略了一個重要因素：動量傳遞因子。撞擊器高速撞擊小行星，會產生大量濺射物高速噴射出去，會進一步改變小行星的動量。動量傳遞因子β用於描述濺射物對小行星的動量改變效應，如果動量傳遞因子等於2，相當於濺射物的動量增強效應等效於撞擊器的動量。動量傳遞因子取決於撞擊器動能、撞擊器大小、小行星材質、孔隙率、內聚強度等因素，精確建模非常困難。實際上，美國宇航局“雙小行星重定向任務”的科學目標之一就是測量撞擊形成的動量傳遞因子。

圖17 濺射物導致動量增強

如果假定動量傳遞因子為2.5，提前10年將貝努小行星偏轉1.4個地球半徑需要的長征五號發射次數將進一步降低到9枚。這樣使得十年時間，採用非核手段處置直徑約500米的小行星，似乎又變得有些希望。儘管如此，考慮到操作複雜性，我們並不看好多發撞擊模式。

表2 末級擊石與傳統動能撞擊對比（β=2.5）

那單發“末級擊石”的能力如何呢？

直徑140米的小行星足以摧毀一箇中小型國家，因此國際天文學聯合會將140米作為潛在威脅小行星的尺寸界限。如果我們把貝努小行星的直徑縮減到140米，則可以驚奇地發現：即使不考慮動量傳遞因子，我們也可以利用單枚長征五號，將直徑140米的小行星偏轉距離從不足一個地球半徑提升到超過一個地球半徑。也就是説，“末級擊石”極大地提升了對直徑140米級小行星的應對能力。

表3 單次發射對140米級小行星的防禦效果對比

“末級擊石”概念以 Assembled Kinetic Impactor for Deflecting Asteroids by Combining the Spacecraft with the Launch Vehicle Upper Stage  為題6月24日發表在行星科學領域知名期刊 Icarus 上，審稿人評價該文章“This is an intriguing, simple and, to my knowledge, novel idea（有趣、簡單、新穎的想法）”。

“末級擊石”發表後，得到了國內外媒體的關注，環球時報、路透社等媒體進行了報道。在路透社報道中，小行星研究領域國際知名專家、貝爾法斯特女王大學天體物理研究中心Alan Fitzsimmons教授評論説，“The proposal of keeping the upper stage of the launch rocket to a guiding spacecraft, making one large ‘kinetic impactor’ to deflect an asteroid, is a rather nice concept（把火箭末級附加到一個制導飛行器上，組合成一個更大的撞擊器偏轉小行星的軌道，是一個非常不錯的概念）”。

從“以石擊石”到“末級擊石”

2020年5月22日， Scientific Reports 期刊在線發表了中國科學院國家空間科學中心行星防禦與利用團隊關於操控岩石偏轉大尺寸小行星軌道的“以石擊石”方案。出發點同樣是為了提高撞擊體質量，基本原理為首先在太空中捕獲百噸級重量的岩石，然後操控岩石變軌撞擊對地球有威脅的大尺寸小行星，最終將危地小行星偏轉出撞擊地球的軌道。“以石擊石”方案可以將撞擊體質量提升到百噸級，對近地小行星的軌道偏轉效果可提升至一個數量級。

2020年3月該論文入選了 Scientific Reports 期刊2020年度物理領域Top 100論文，隨後 Nature微信/微博公眾號進行了報道。

圖18 以石擊石

“以石擊石”的技術挑戰更高，工程實施難度更大。而“末級擊石”儘管也需要考慮末級鈍化、末級操控等技術問題，但沒有顛覆性的技術難題，是經過短期攻關，現階段就具備實施可行性的創新方案。

無論是“以石擊石”還是“末級擊石”都遠遠稱不上完美，甚至還存在種種問題，但這兩種方案一定程度上代表了中國學者向行星防禦領域難題發起衝擊的努力。

有理由相信，真正能夠改變行星防禦領域的創新方案還在路上。展望未來，中國人一定能夠為保護地球家園、構建人類命運共同體貢獻更多中國方案、中國智慧和中國力量。

作者：

李明濤，中國科學院國家空間科學中心研究員，主要從事航天器軌道設計、小行星防禦與利用研究。

龔自正，中國空間技術研究院首席研究員，博士生導師，主要從事空間碎片防護、移除與小行星防禦研究。

王藝睿，中國科學院國家空間科學中心博士生，主要從事小行星防禦與利用研究。

致謝：感謝中國國家航天局祁海明提出的寶貴意見。

參考文獻：

1. Yirui Wang,Mingtao LI et al.Assembled Kinetic Impactor for Deflecting Asteroids by Combining the Spacecraft with the Launch Vehicle Upper Stage,Icarus,2021(368) , https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114596

2. Li, M., Wang, Y. et al. Enhanced Kinetic Impactor for Deflecting Large Potentially Hazardous Asteroids via Maneuvering Space Rocks. Sci Rep 10, 8506 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-65343-z

3. 龔自正,李明,陳川,等.小行星監測預警、安全防禦和資源利用的前沿科學問題及關鍵技術.科學通報.2020,(5).346-372. 

4. Sarah Greenstreet. Asteroids in the inner solar system. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4794

5. Reuters.Chinese researchers propose deflecting ‘Armageddon’ asteroids with rockets. https://www.reuters.com/lifestyle/science/chinese-researchers-propose-deflecting-armageddon-asteroids-with-rockets-2021-07-07/

6. 

Barbee, B.W., et al., 2018. Options and uncertainties in planetary defense: mission 

planning and vehicle design for flexible response. Acta Astronautica. 143, 37–61

來源：中國科學院國家空間科學中心