假如小行星来袭 我们该如何保卫地球?

  2015年冬季的一场行星防御会议上,一众航空航天领域的专家展开了激烈讨论,他们正在处理这样一个虚构的情景:小行星“2015PDC”正在向地球袭来。这颗行星直径150~400米,最早将于2022年9月与地球相撞。地球人该如何应对?

  虽然这一设想是完全虚构的,但会议的组织者还是试图做到尽可能逼真,该场景包含了科学家们可能会面对的所有未知情况,比如小行星的大小、构成元素,以及发生撞击的具体地点。在这场会议上,与会者着重探讨了一种使用航天器撞击小行星以改变其运行方向的策略,还有人则提出了另外一些避免灾难的新方法。

  虽然从《世界末日》的导演迈克尔·贝到美国航空航天局都建议我们炸毁向地球接近的小行星,但这一观点却极富争议。《外层空间条约》从技术上禁止在太空中使用核武器。一些科学家也认为爆炸碎片造成的潜在危害可能不亚于一颗完整的小行星。马德里理工大学的空间力学研究员Claudio Bombardelli说:“我的观点是,只有在所有其他选项都注定失败的情况下,才能使用核武器让小行星偏离轨道。”

  作为替代方案,Bombardelli团队赞成使用一只“离子束牧羊犬”将来袭的小行星推离轨道,他们和其他研究者已经就该方案研究了数年。Bombardelli和他的同事们评估了一个计划:向该假想小行星发射一束离子(带电粒子)。这些离子会以30.5千米/秒的速度传播,撞击时将动量传递给小行星,将其轻轻推离预定轨道。Bombardelli说:“这种力非常小,只有长时间作用于小行星的情况下才能起作用。”

  Bombardelli团队在论文中设想该假想小行星重约2000万吨,持续两年对其施加质量相当于一颗草莓的力,就可以使其方向偏离数百千米。这种离子束可以由使用离子发动机的航天器发出,这种航天器类似于2015年抵达谷神星(太阳系中最小且惟一位于小行星带的矮行星)的“黎明”号探测器。

  首先,离子发动机会驱动航天器前往目标小行星。当接近小行星时,航天器将改变方向,使离子发动机喷管朝向小行星,以推动小行星。Bombardelli说:“这些发动机被赋予了双重用途,航天器的重量也因此得以减轻。”

  和“黎明”号一样,这艘假想的航天器使用太阳能帆板产生的电力将氙气电解成离子,产生离子束,航天器会继续电离向后喷射的离子束,直至将这些离子束抛离飞船尾部电离范围。该团队经计算得出,推离小行星的航天器将需要大约11千瓦的电力,这基本与“黎明”号飞船上已经实现的技术大致相同。

  一束离子施加到一颗小行星上的力的大小仍是一个模糊变量,针对这一问题,Bombardelli团队正在德国航空航天中心的等离子真空箱舱中测试。截至目前,他们的成果达到了预期。按照研究者们设想的计划,航天器将于2017年5月28日发射,并于2019年9月30日抵达“2015PDC”附近。

  只有3年时间让假想小行星偏离轨道。假如它的直径为250米,密度与一般小行星相当(2克/立方厘米),那么这点时间不足以将它推离足够远的距离,使它完全避开地球。但我们有可能将其移向损害相对较小的路径。所以下一个大问题是:要把它移去哪里?

小行星重定向任务概念图

小行星重定向任务概念图

  研究者们假设的最坏结果之一是,小行星将会撞击拥有1600万人口的新德里。他们的备案是:通过使用离子束连续22个月对小行星施加影响,其轨道可以被移到阿富汗帕克蒂卡省的乡村地区,使伤亡人数降低两个数量级,并减少基础设施的损失。即使航天器只能在小行星上工作15个月的时间,也可以将小行星退往巴基斯坦的旁遮普省。这片区域要比阿富汗的乡村发达,但和新德里比,同样能将伤亡人数降低一个数量级。

撞击新德里的小行星的预计偏移路径,最亮处为新德里,偏移路径最左侧为阿富汗

撞击新德里的小行星的预计偏移路径,最亮处为新德里,偏移路径最左侧为阿富汗

  虽然离子推进器可以将小行星的撞击点从印度人口密集的大型城市移至巴基斯坦或阿富汗,但这样的解决方案需要国际磋商和协作——两个备选方案的政治挑战比科技带来的挑战更难以克服。

  如果小行星撞击的是孟加拉国首都达卡而不是新德里,研究者们计算的结果是,离子束工作13个月可以使之改道撞击缅甸,将人口和基础设施的损失降低两个数量级。若小行星撞击德黑兰,实际上最容易改变路线,因为伊朗首都周围都是沙漠。离子束只需要施加一两个月的力,小行星就可以被改变航向,将人口和基础设施损失降至最低,而且还无需太多政治角力。

  根据科学家们的评估,想要万无一失地改变假想小行星“2015PDC”的航向,使之避开地球,至少需要5艘离子发动机航天器,并在太空持续工作33个月。而完全阻止一颗直径400米的小行星则需要20艘航天器。建造和发射这么多航天器,成本十分高昂。

  “小行星的大小非常关键,我们事先却无法准确了解。”在有些假想情景中,离子束推离根本起不了作用。离子需要数月乃至数年时间才能移动一颗小行星,所以只有当人类提前得到早期预警才能使用这种方法。

  假如留给人类的响应时间很短,那么行星防御会议上提出的动能撞击体方案将是首选。这种方案会让航天器与小行星相撞,以改变其运行方向。这种航天器的结构相对比较简单,建造它们要比建造离子发动机航天器更加快捷。

  然而动能撞击体方案的最大缺点是,它只能在某一个方向上改变小行星的运行轨迹。这一方案的重点在于降低小行星的速度。科学家们将航天器置于小行星的必经之路上,小行星与之相撞后速度会降低。轨道力学决定,小行星速度降低后轨道半径会变小,这使得小行星免于与地球相撞。在行星防御会议上给出的虚构情景中,动能撞击体只能使小行星向西移动,而离子束可以使小行星移向任何方向。如果我们能将小行星移往人口更少的地方,这种方案就有潜在的价值。

美国航空航天局的小行星转向任务将探索另外一种移走小行星的方案:航天器将飞向小行星,提取一颗巨大的岩石,将增加的负重作为一种重力牵引杠杆将小行星略微推离其运行方向。这是另一种“缓慢推移”方案,但并不像使用离子束改变小行星运行方向那样简单。

  使用核武器攻击小行星可能有用,但很多科学家认为这是“最后的选择”。“应对威胁地球的数目庞大而又迫在眉睫的小行星,还有很多其他选项。”Chodas说,“使用核武器在我看来是孤注一掷的选项,这种方案的结果更加无法预测,但毫无疑问我们可以考虑将其作为备选方案。而且我们在会议上也认真讨论了这种方案。”

  最后,行星防御会议的所有与会者一致认同:改变小行星航向最好的方案将取决于具体情况。Chodas解释说:“每种情况都不相同,这取决于预警时间、小行星的轨道、大小、成分等诸多因素。”

来源: 
科学生活杂志
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