导言 |
在面临小行星和彗星撞击危险时，我们都生活在同一个星球，共享的是同一种命运。李明涛 · 中国科学院国家空间科学中心研究员
格致校园第27期 | 2022年7月15日 北京
大家下午好！我是李明涛，来自中国科学院国家空间科学中心。我是一名地球“守门人”，工作是保卫地球免遭小行星和彗星的撞击威胁。今天和大家分享的主题是《调皮的小行星》。
这是2022年7月10日，有一颗小行星进入了大气层，飞到了我国甘肃地区上空解体爆炸，最后落到地面上，形成了比较小的陨石坑。幸运的是，这是一个小尺寸的小行星，所以没有在地球上形成任何危害。小行星是什么？小行星是太阳系大家庭中的小不点。太阳是太阳系大家庭中的大家长，它的光和热提供了源源不断的能量。水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，这些大行星是太阳系大家庭中的哥哥姐姐。它们的个头比较大，各自运行在自己的独立的、稳定的轨道上。除此之外，太阳系中还有浩如烟海、不计其数的小不点们。虽然个头很小，也没有独自的、稳定运行的轨道，但是它们的身份非常特殊，蕴藏着巨大的宝藏和资源财富。它们也很调皮，有时候不太守规矩，甚至会撞击地球，导致飞来横祸。可是如果没有它们，可能我们今天也不会坐在这里——因为地球上的生命起源与它们密切相关。小行星和彗星是环绕太阳运行、体积和质量比大行星小得多的天体。彗星一般是由水冰、尘埃、甲烷、氨等挥发性气体组成的，在靠近太阳的时候会形成一条明亮的彗尾，民间也将彗星称为扫帚星。小行星是由金属和岩石构成，它具有固态的行星表面。大家知道小行星长什么样子吗？我听到了很多不同的声音：花生、雪人、松鼠。更奇怪的，有的小行星像天狗啃过的骨头。还有的小行星有小伙伴，它们会带着它们的小伙伴在太阳系中红尘作伴、潇洒遨游。小行星具有很高的科研价值，被称为太阳系的时光胶囊，因为它还保存着太阳系形成之初最原始的物质成分。小行星、太阳、八大行星都是共同起源于最初的太阳星云，但是地球形成之后经历了火山、地震、云雨等沧海桑田般的改造。在今天的地球表面上，已经找不到地球形成之初的、最原始的物质。但是在小行星上，没有大气、地震、火山爆发等等因素，所以它可以带我们回到46亿年前，让我们了解到太阳系形成之初的秘密。地球上的生命起源可能与小行星也存在着不解之缘。左边这幅图是地球刚诞生的时候经历的一个阶段，就是岩浆洋状态。表面上到处都翻滚着滚烫的岩浆，简直是人间地狱。在这种环境下，不可能有水分、氨基酸、蛋白质的存在，而这些是生命起源所必需的物质。有科学家推断：正是小行星和彗星撞击地球带来这些物质，为地球上生命早期的萌芽提供了物质基础。1969年在澳大利亚默奇森市降落了一块陨石，科学家在这块陨石上发现了几十种氨基酸。无独有偶，今年6月份，日本科学家在龙宫小行星的样品上也发现了20多种氨基酸。所以，有可能正是小行星和彗星撞击地球带来的这些物质，造就了今天勃勃生机的蓝色星球。小行星上还蕴藏着丰富的宝藏，比如碳质小行星上面富含水分，可以作为未来星际航行的加油站。岩石类小行星和金属类小行星上面富含铁、镍、硅等工业原材料，将来可以作为我们在太空中开展太空制造的工厂和原材料基地。特别是金属小行星更是一个大宝贝，它上面除铁和镍，同时还有很多稀有的贵金属，比如铂、金。而这些金属是新能源科技、高科技研发中必须用到的。美国航天局（NASA）将于明年绕飞探测一颗小行星，这个小行星叫灵神星，它上面96%的成分都是铁和镍，当然也有铂、金和一些稀有金属。根据估计，它上面金属资源的价值，比全球所有人干一年所创造的财富总量还要多得多。随着地球的资源日渐枯竭，向太空追寻资源将是未来的发展趋势。目前全球已经成立了几十家太空采矿公司。我们的征途是星辰大海，但是星辰大海不会一直风平浪静，要实现太空采矿还必须攻克很多技术和挑战，这些技术和挑战有待新一代去攻克。小行星在哪里？小行星是非常广泛地分布在太阳系中，最著名的地方就是火星和木星之间的小行星带。另外，在海王星之外的轨道上有一个柯伊伯带，在遥远的太阳系边缘还有奥尔特云。但在今天讲的主题，我们感兴趣的对象就是主带小行星和近地小行星。主带小行星大部分时间都乖乖地运行在火星和木星之间的轨道上。当它们在这个轨道上运行的时候，会受到木星、土星这些哥哥姐姐们的引力拉扯。有的小行星可能一生气，就离家出走了。它们就从主带被引力甩到地球附近，成了近地小行星。上图中，红色的点点就是主带小行星，蓝色的点点就是近地小行星。近地小行星可能会近距离地接近地球，和地球擦肩而过。还可能闯入地球大气层，在大气层中解体爆炸，甚至撞击地表带来弥天大祸。2013年，一个大概6层楼高的小行星，在俄罗斯车里雅宾斯克地区上空30公里处解体爆炸。它的爆炸当量相当于30颗广岛原子弹，这个巨大的冲击波导致了当地接近1600人受伤，3000栋房屋受损。这是发生在地广人稀的俄罗斯，如果是在人口稠密的地区，可想而知它会带来什么样的灾难和后果。而让人感到恐惧的是，这个小行星撞击地球之前，全球没有任何一个望远镜、也没有任何一个国家发出预警信息，它就突然撞上地球了。当然小行星撞击带来的也不仅是灾难，还会带来陨石这种天外来客的馈赠。陨石不仅具有很高的科研价值，是我们了解太阳系形成、演化时空之门的钥匙。同时，陨石因其天外来客的身份和稀缺性，在收藏市场上备受欢迎，有的陨石的价格甚至比黄金还要高。在搜寻陨石的过程中也产生了一门新的职业，叫做陨石猎人。所以，每当有小行星撞击地球或者发生火流星事件时，就有大批的陨石猎人赶赴现场去搜寻陨石。小行星可以说是悬在人类头顶上的达摩克利斯之剑。一个直径20米的小行星就可能导致城镇级的危害，就像2013年俄罗斯的车里雅宾斯克事件。一个直径50米的小行星就可能摧毁一个大型城市。根据研究，发生在1908年的通古斯大爆炸，就是一个直径50米的小天体在空中解体爆炸。它的冲击波摧毁了超过2000平方公里的森林，这个面积相当于北京市城八区加上深圳市区。如果小行星的直径达到140米，它就有可能摧毁一个中小型的国家。如果小行星的直径达到1000米，就可能导致全球性的灾难和部分物种灭绝。如果小行星达到10千米，那么全球大部分物种可能都会灭绝，这其中也包括我们人类。根据科学家的研究，在6600万年前，一个大概直径10千米的小行星撞击了北美墨西哥湾地区，在地球上形成了直径180千米的陨石坑。大量的海底物质被抛掷到平流层，它们再次落下的时候，全球就下了一场火雨。燃烧的灰烬和尘埃进入了平流层，遮挡了太阳光。全球的温度骤降，植物的光合作用受到了影响，很多以植物为生的动物就灭绝了，最终导致了包括恐龙在内全球70%的物种灭绝。在地球上统治了1.6亿年的恐龙，随着一个陨石的撞击，它最终灭绝了。恐龙灭绝之后，地球的环境有没有变得更加安全？其实并没有。所以，人类如果想在地球上更好地生存，我们就必须重视太空中小行星和彗星撞击的危险性。其实我们今天能坐在这里，也要拜这颗小行星所赐。正是这次撞击事件之后，人类的先祖哺乳动物才从爬行动物的威慑下走出来，慢慢走向地球舞台的中央，发展出今天高度发达的文明。要不然今天可能在这里演讲的是几只大恐龙，而台下坐的是一群小恐龙。也许有人会问：你说的很严重，但是为什么人类历史上很少有关于小行星撞击地球的记录？因为人类在地球历史上的生存时间太短了。自地球诞生的46亿年以来，经历了大大小小无数次撞击，发生了22次不同规模的物种灭绝。根据科学家考证，至少10次都和小天体撞击相关。新生代以来发生了6次不同程度的物种灭绝，分别是：6600万年前、3400万年前、1500万年前、240万年前、110万年前和70万年前。下一次小天体什么时候会撞击地球？还不知道。大尺寸小行星撞击发生概率极低，但是一旦撞击，就有可能把整个人类从地球上抹去。地球上整个生物圈都会被格式化。小行星撞击会对人类社会带来巨大的伤害，所以国际社会对此是高度重视的。在2013年俄罗斯车里雅宾斯克事件发生之后，联合国成立了两个组织：一个组织叫做小行星监测预警网，它的使命是提前发现并预警可能撞击地球的危险小行星；另一个组织叫做空间任务规划咨询小组，它的使命是如果小行星真的要撞击地球了，我们应该怎么办，如何采取恰当的措施来处置它？中国国家航天局在2018年1月正式加入了这两个组织。要防御小行星，首先要知道小行星在哪里？小行星的数量可以说是浩如烟海、不计其数。人类目前已经发现了超过29000颗近地小行星，但是这还远远不够，还有大量可以威胁人民生命财产安全的小行星还隐匿在太空之中。然而同学们也不用过于担心。因为这种千米级直径、可以导致全球灾难的小行星，我们已经发现了94%，可以清楚地掌握它们的轨道，而且在未来几百年内都不会撞击地球。但是我们也不能掉以轻心，因为还有大量可以摧毁一个中小型国家的、直径140米级的小行星，我们才发现了1/3。还有2/3在哪里？我们不知道。可以摧毁一个大型城市的、直径50米的小行星，我们还有95%都没有发现。而像车里雅宾斯克这样20米级的小行星，还有99.7%在哪里我们都不知道。当务之急是对它们进行查户口、建立档案，找到这些太空中的危险分子，对它们进行密切的跟踪和监视。第一招就是炸，使用核武器将小行星炸碎。这招，不到迫不得已的时候是不会用的。因为将小行星炸碎了，碎块可能还会继续飞向地球，到时候整个地球就会沐浴在小行星的枪林弹雨之中。另外，核武器就像潘多拉的魔盒，在太空中使用核武器，就像打开这个潘多拉的魔盒，不知道出来的是天使还是魔鬼。第二招是撞。像这样利用一个航天器高速撞击小行星，将小行星的轨道撞偏，让它避开地球。动能撞击虽然目前被认为是最成熟、最可行的防御手段，但其实它还有缺点。因为航天器只有几吨、十几吨，但小行星有多大？小行星像一座山一样，它有几百万吨、几千万吨。用几吨的飞行器去撞山一样的小行星，就是以卵击石。即使撞击速度比子弹要快10倍甚至更快，但是这对于小行星的速度改变量，可能只有几毫米每秒或者几厘米每秒。所以，要利用这种方法改变小行星的轨道，就需要10年甚至更长的预警时间。如果小行星10年之内，甚至3年之内撞击地球，我们怎么办？美国航天局做了一个研究，假设有10年时间把一个直径500米的小行星偏转出9000公里。因为地球的半径是6300公里，它要偏转出1.4个地球半径。算了一下需要75发重型火箭，发射75个8吨的撞击器。75发火箭怎么一起发？这就对可靠性和成本提出了非常高的要求。有的同学可能看过电影《不要抬头》，最后万箭齐发的时候发生了很多故障，其实现有的科技水平就是这样。第三招叫做引力拖车。发射一个飞行器在小行星前方盘旋，利用万有引力将小行星牵引，改变它的轨道。它的好处是无论小行星是碎石堆还是岩石，都可以吸引。可是这个万有引力太弱了，所以利用这种方式防御小行星可能需要20年甚至30年的预警时间。第四招是烧。利用高能量激光烧蚀小行星的表面，让小行星表面物质气化，从而推动改变小行星的轨道。这种方法不是直接将小行星烧碎，而是将小行星表面的物质蒸发出来，利用牛顿第三定律推动小行星改变轨道。这招其实具有非常好的光明前景，因为它需要的能量都来自于太阳，它是将太阳光的能量转化成高能量的激光。但是目前这个技术还不成熟，人类还没有制造出这样高能量的空间激光器。大家想想还有什么方法？惹不起躲得起，这也是一招。实在没办法了，只能躲在地堡里了。但是如果是一个直径10千米的小行星撞击地球，要躲到何年何月何日？还有一招是捉。利用一个飞行器整体捕获小行星，将它从轨道上拖离。这招也不是不行，但显然只能拖小的。那种大的像山一样的小行星能拖走吗？拖不走。2013年，美国航天局提出一个计划：小行星重定向计划。希望捕获一个5到10米的小行星，将它带到地月空间。这个小行星有多重？500到1000吨。改变它的轨道，将它带到地月空间，然后再派航天员去登陆。当时的奥巴马政府对这个事情非常重视，投入7000万美元研究方案。怎么找这块岩石，怎么捉住它、拖动它，最后如何让航天员登陆，都做了详细的研究。很遗憾，这个计划最后被特朗普政府取消了。我个人是非常喜欢这个计划的，它充满了想象力。它是人类有史以来，第一次严肃地论证能不能整体捕获一个小行星并且改变它的轨道，它的结论是人类具备这个能力。那我们就需要思考，如果我们有能力捕获一个几百吨的小行星，能不能利用它来保护地球？动能撞击最缺什么？缺重量。我们能不能利用这个小行星去保卫地球？这就是我们提出来的以石击石的概念。2018年，我们课题组开始研究行星防御，希望能够提出一些与众不同、创新的、代表中国特色的防御方案。以石击石是我们课题组提出的其中一个防御方案。如果直接动能撞击是西方的拳击，直接硬碰硬的较量。而以石击石则是代表中国功夫的哲学理念，通过辗转腾挪、借力打力，借助小行星的力量防御小行星，最终实现四两拨千斤的效果。大家会说这个太难了，人类还没有捕获过小行星。其实，人类的空间探索，就是将一个个不可能的事情变成奇迹。当然我们也在想，有没有更成熟的防御手段？我们国家新一代长征五号的名字是什么？胖五。为什么叫胖五？因为它特别大、很胖，能够把很重的卫星发射到太空中去。能不能利用胖五来防御小行星呢？在传统的航天发射活动中，将卫星送入轨道之后要星箭分离。因为火箭的最后一级叫做火箭末级，对卫星已经没用了，要将它扔掉。但是，动能撞击防御小行星最缺重量。胖五的末级有6.5吨，将它扔了太可惜了。所以，我们想干脆利用飞行器带着胖五的末级去撞小行星。然后，我们将这个想法和长征五号的设计师交流了一下，他们也非常感兴趣。所以我们一起做了计算分析：如果利用胖五发射一个末级击石的航天器，带着末级去撞，1发长征五号可以起到3发长征五号的效果。还记得之前提到的美国航天局的75发重型火箭去撞小行星的方案吗？如果带着末级去撞，只需要23发，这样就可以极大地节省成本，也提高了技术可靠性。我们课题组研究的另外一个方向是如何更好地预警小行星。大家知道哪个方向的小行星最危险吗？其实是白天方向、或者说太阳方向的小行星最危险。因为，地面上看小行星要靠光学望远镜。就像白天看不见星星一样，白天地面的光学望远镜也看不见小行星，所以白天方向是地面光学望远镜的预警盲区，也是地球预警系统的一个漏洞。为什么没看到6层楼高的车里雅宾斯克事件的小行星？因为它是当地上午9点半发生，在阳光的掩护下撞击地球的。回溯历史，可以发现一个非常可怕的事实：过去200多年来发生的4次知名的撞击事件。（1908年的通古斯大爆炸事件、1976年中国吉林陨石雨事件、2013年的车里雅宾斯克事件、2018年的白令海峡事件），它们都是从白天方向撞击地球的。如果下次小行星还是从白天方向撞击地球，那怎么办？要解决这个问题，需要将望远镜发射到太空中去。太空没有大气、云雨，所以它是7×24小时工作，白天也能干活。我们将望远镜放到地球领航轨道上去，地球领航轨道在地球的绕日轨道的前方大概2000万公里处。它就能和地球结伴飞行，为地球进行护航、领航。它不看别的地方，就看地球的白天方向，也就是光照侧这一方向。它的目标就是扎紧地球防御系统篱笆，让白天方向过来的小行星溜不掉。右：2022年中国航天日
在2021年中国航天日的开幕式上，中国国家航天局局长张克俭在致辞中指出，面向新时代，我们将论证实施近地小行星防御系统。这是一个让人非常振奋的消息，也是中国官方第一次表态要建设近地小行星防御系统。这也意味着行星防御，中国来了！在今年（2022年）的中国航天日，中国国家航天局副局长吴艳华在接受采访时指出：我们将着手组建近地小行星防御系统，并且在2025年或2026年实施一次小行星撞击防御的实验。小行星撞击防御已经列入了中国航天的白皮书。小行星撞击是全人类共同面临的潜在灾难，虽然发生概率极低，但一旦大尺寸小行星撞击地球，形成的危害效应极大。如果我们人类想在这个蓝色星球上生存更长时间，不想重蹈恐龙灭绝的覆辙，就必须重视来自小行星的威胁。否则，不用等到流浪地球那一天，我们的地球就有可能因为小行星或者彗星撞击而变成人间地狱。我们必须携起手来，未雨绸缪。这样才有可能在小行星真的到达地球的时候，不至于手忙脚乱、手足无措。这需要你、我，需要全体地球人的支持。生活在地球上的每个人，大家的家庭背景不一样，兴趣爱好不一样，性格也不一样，但是，在面临小行星和彗星撞击危险时，我们都生活在同一个星球下，面临的是同一种命运。所以我们需要目光长远、态度坚定，为未来可能发生的灾难做好准备。新一代的地球守门人终将是你们，保卫地球安全，防御小行星，也需要你们的智慧、勇气和力量。中国将在2026年左右撞击小行星 | 科技袁人
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