探测和转移小行星威胁

对于俄罗斯车里雅宾斯克市的居民来说，2013年2月15日的事件永远不会被忘记。

早上9点刚过，当通勤者沿着城市积雪覆盖的道路去上班，学生们安顿下来上课时，一颗直径20米的陨石——估计以每秒12英里的速度飞行——在城市上空爆炸，其威力相当于30颗广岛原子弹。

令人惊讶的是，没有人死亡。但由此产生的冲击波和宇宙碎片阵雨在广阔的地区造成了严重破坏:破坏了数千座建筑物，使约1600人住院，并引起了天文学家、科学家和好莱坞电影制片人几十年来一直紧张思考的风险。

每年大约有4万吨太空岩石落到地球上。这主要是尘埃和小陨石的形式，但偶尔会有更实质性的东西进入我们的大气层。车里雅宾斯克流星被认为是自所谓的1908年通古斯事件以来最大的天体，当时一颗直径约40米的小行星摧毁了2000平方公里的偏远西伯利亚森林。

在我们星球的历史上，大型小行星的撞击被认为影响了地球上生命的进化过程，例如，引发了恐龙的灭绝。

今天，天文学家估计大约有1600个潜在危险的所谓近地天体(neo)。尽管一颗巨大的小行星把我们送上恐龙灭绝的道路的可能性非常渺茫(见表)，但专家们认为，我们不能忽视较小物体造成的危险。

作为NASA行星保护部门的负责人，林德利·约翰逊(Lindley Johnson)比大多数人更有资格对这一威胁发表评论。这位经验丰富的空军飞行员甚至有一颗小行星以他的名字命名，以表彰他对近地天体探测的贡献。

“重大撞击是极其罕见的，也许是百年一遇的事件，”他说工程师“但地球每天都会受到小物体的撞击，被更大的物体撞击只是时间问题。”

他说，撞击通古斯的小行星大小的物体，我们预计平均每100年就会发生一次，有可能造成巨大的破坏。事实上，如果通古斯小行星的轨道稍有不同，它可能会改变20世纪的进程。事实上，如果通古斯小行星的轨道稍有不同，它很可能会改变这20颗小行星的轨迹^th世纪。“幸运的是通古斯是一个偏远地区，”约翰逊说。“但如果它在三小时后撞击，那将是莫斯科所在的位置，那将是一个不同的故事。”

一种较小的威胁

并非只有通古斯卡大小的物体才有可能造成大屠杀。据欧洲斯特拉斯克莱德大学的近地天体专家马西米利亚诺·瓦西里教授称，像车里雅宾斯克这样的小型小行星撞击地球的频率更高，也可能构成威胁。

他说:“在过去两年里，我们已经近距离接近过这种大小的物体三四次了。”“它们仍然能够造成重大破坏，这主要是因为它们撞击的速度。”

好消息是，在世界各地，工程师和科学家们正在开发和部署一系列技术解决方案，旨在发现、跟踪甚至改变可能与地球相撞的小行星的方向。

检测技术

今天，探测小行星的主要工具是夏威夷的PanSTARRS(全景巡天望远镜和快速反应系统)望远镜和美国宇航局资助的卡塔琳娜巡天(CSS)，后者使用了位于亚利桑那州圣卡塔琳娜山脉的三台望远镜。在它们之间，这些设施负责近90%的发现，每年识别大约1800个物体。

在波多黎各的阿雷西博和莫哈韦沙漠的戈德斯通综合设施的深空雷达系统收集了更多的信息。这些设备用于测量小行星的大小、形状和轨道路径。

然而，尽管我们可以从对天空的监控比人类历史上任何时候都要密切这一事实中得到一些安慰，但也有人担心现有的技术并不能捕捉到所有的东西。

“在140米以上，我们的知识提高了很多……但我们所知道的100米以下的天体的比例很小，”瓦西里说。

美国国家航空航天局的约翰逊补充说，尽管科学家们正在尽最大可能利用现有的能力，但其他技术——比如天基红外望远镜——可能会更有效。

他说:“因为这些物体吸收阳光并以热的形式重新辐射，太空中的红外望远镜对探测它们尤其敏感。”

美国宇航局已经通过其NEOWISE项目享受到这项技术的一些好处，该项目将原本用于科学任务的红外测量望远镜重新改造为寻找小行星。

约翰逊说:“它为我们做的最大的事情之一是可以更准确地估计大小。”这是因为物体辐射的热量比通常使用的基于亮度的估计是一个更好的大小指标。

NEOWISE已经超出了计划寿命，工程师们认为它现在已经进入了一个暴露在太多阳光下的轨道，无法正常工作。该机构目前正在开发一种新型望远镜NEOCam，专门用于在最接近地球轨道的空间区域寻找危险的小行星。

与此同时，欧洲航天局(ESA)的工程师们正在采取一种不同的方法来解决探测问题——建造一个地面望远镜，他们声称这将能够比以往任何时候都更彻底地扫描天空。这种被称为“苍蝇眼”的望远镜的灵感来自苍蝇的复眼，它将使用16个独立的镜头从不同的方向拍摄多个天空图像。这项新技术不会以高分辨率寻找和跟踪物体，而是会捕捉覆盖更大范围天空的几张低质量图像，使其能够自动探测运动，并在有值得研究的近地天体时提醒天文学家。

欧空局近地天体探测活动的联合经理Rüdiger Jehn博士说:“苍蝇眼望远镜将拥有更大的视野，可以对夜空进行完整的扫描。”“从这些方向来的小行星不会被错过，”他补充说。

应对威胁

那么，如果我们发现一颗小行星即将与地球相撞，我们该怎么办?研究最多、也被普遍认为最有希望的一种方案是使用动能撞击器:一种航天器故意以高速撞击小行星，以改变其轨道。

你需要以每秒一到两厘米的速度减慢物体的速度

显然，撞击的效果会根据小行星的大小而有所不同。但即使是最微小的影响也足够了，约翰逊说:“你需要让物体每秒减速一到两厘米。如果你提前几年这样做，就足以导致它与地球擦肩而过，因为速度的差异会随着时间的推移而增加。”

该领域最先进的项目是NASA提出的DART(双小行星重定向测试)任务，该任务最近从概念阶段转入初步设计阶段。该机构希望将一艘宇宙飞船撞向近地轨道上一对双小行星之一的Didymos B。在这次预计将于2022年发生的相遇之后，地球和天基监测技术的结合将测量物体轨道的变化。

在欧洲，空中客车防务与太空公司主导的NEOShield项目也在研究动能冲击器的潜力。该小组最近提出的NEOTwist项目希望用一个撞击器撞击一颗小行星，然后使用一个小型观测模块来测量它在太空中路径的变化。

空客工程师Emanuele Monchieri告诉《工程师》杂志，这个项目的一大挑战是确保小行星撞击在正确的位置，他的团队一直在研究所需的制导、导航和控制系统。他补充说，确定最佳撞击地点的一个关键因素是尽可能多地发现小行星的成分，而且人们对开发采集小行星样本并将其带回地球进行分析所需的技术非常感兴趣。

斯特拉斯克莱德大学的瓦西里补充说，对小行星成分的更深入了解可能会对用于使其偏转的技术产生重大影响。“风化层的数量会改变你能偏转的程度，”他说。“如果你把子弹射向沙子或坚硬的岩石，你会看到不同的效果。”

除了使用撞击器，研究人员还在考虑一系列不那么引人注目的所谓“低推力”方法，这些方法可以对小行星的轨道产生更微妙的影响。最有前途的技术之一是使用“引力拖拉机”:一种航天器将在一段时间内沿小行星飞行，并对其施加引力效应。

约翰逊说:“如果你有足够的时间，而且物体足够小(直径100 - 200米)，重力拖拉机可能会有效。”“其中一个优势是你可以更精确地控制你给小行星的速度变化。”

Vasile的团队一直在探索一种替代的低推力技术，即航天器在小行星旁边飞行，并使用激光加热其表面:产生气体和碎片的羽流，给小行星一个微妙的推力。该小组已经使用实验室模拟来探索该技术在一系列不同大小物体上的潜力。他说:“我们对直径20米的小行星进行了调查，对于那些小行星，我们需要长达8年的变暖时间，而对于较小的小行星，你可以减少到2年。”

其他考虑过的方案包括在小行星上安装一个低冲量火箭，或者在小行星表面安装一个自动“质量喷射器”系统，从岩石中提取质量并将其喷射到太空中，再次给物体一个稳定的推力进入不同的轨道。

然而，在某些情况下，一个稳定的推力——甚至是一个动能冲击器——可能还不够好。约翰逊说:“如果你有100年的时间，你几乎可以使用过去20年发明的任何偏转技术，但如果你只有一年的时间，就没有太多的选择。”

这就是使用最后手段的原因:使用核武器。

目前主要有两种选择:一种是在距离小行星一定距离的地方引爆核弹(产生辐射流，使小行星表面蒸发，并将其推入不同的轨道);或者我们采取布鲁斯·威利斯在电影《世界末日》中使用的方法，在小行星表面埋下一颗巨大的炸弹，把小行星炸成碎片。

两者都是戏剧性的选择，难以控制，也会产生不可预测的后果。但面对迫在眉睫的灾难，大多数专家都认为这个选择是我们最大的希望。

虽然这些偏转技术都没有在实验室之外进行过直接试验，但在一定程度上，由于之前的科学任务已经破解了相关挑战，人们对它们的成功有合理的信心。例如，约翰逊参与的NASA深度撞击任务在2005年成功地将一个撞击器撞向了一颗彗星。

这个项目的目的是通过分析产生的羽流来更多地了解彗星的组成。导致人类首次成功登陆彗星的罗塞塔号任务，也帮助推动了一些关键技术的发展。

甚至还有样本返回的先例，这要归功于日本的隼鸟号任务，它在2010年成功地将一颗近地天体的样本带回地球。

另一个可能有助于刺激这项技术发展的领域是，太空部门对利用彗星和小行星上的资源越来越感兴趣。格拉斯哥大学的科林·麦金尼斯教授是这一领域的顶尖专家之一。“使用水进行人类太空飞行，你仍然需要花费巨大的代价从空气速度重力中提升水，如果你可以从小行星中烘烤水，原则上你可以利用太阳能将其裂解成氢和氧，这样你就有了推进剂。”Mcinnes说，要做到这一点，工程师们需要解决技术挑战，这些挑战也可以应用于小行星偏转。

与小行星的撞击是一种典型的情况，政治家并没有真正被迫投资，因为这是一个罕见的事件，比他们的职业生涯还要长

然而，虽然这些概念已经得到了很好的研究，一些技术解决方案也已经得到了证明，但大多数近地天体专家都认为，我们迫切需要一个专门的任务来将理论付诸实践。约翰逊说:“这项技术已经成熟，但还没有证明它能有效地使小行星转向。”“从理论上讲，我们已经很好地理解了这些系统，但在我们真正有机会测试它们之前，我不想依赖任何一个系统。”

与众多工程挑战一样，最大的障碍似乎最终可能是政治上的。瓦西里说:“我们现有的解决方案都还没有准备好投入使用。”“问题总是在于，你谈论的是数百万英镑的投资。说服人们投资来测试这样的东西是很困难的。与小行星的撞击是一种典型的情况，政治家并不真正被迫投资，因为这是一个罕见的事件，比他们的职业生涯更长期。”约翰逊表示同意:“这需要很长时间的规划才能理解和实现所需的那种能力。”

任何解决方案的制定都需要国际合作。瓦西里说:“这不是一个国家能够或应该解决的问题。“例如，假设有一颗小行星飞来，美国认为它有足够的资源来偏离轨道。他们发射了一个任务，任务出了问题，他们只是稍微移动了一下，而不是撞击海洋，而是落在了中国。这是你不希望发生的事情。”