中国将组建近地小行星防御系统，我们为什么要关注小行星？

本刊记者/李明子

在长篇科幻小说《三体》中，人类为抵抗外星文明种群三体人的入侵，成立了行星防御理事会，这个组织后来演变为太阳系舰队的最高指挥机构。可惜由于地球与三体文明的科技代差，太阳系舰队几乎全军覆没，地球陷入混乱。
现实中，2021年10月23日，第一届全国行星防御大会在广西桂林召开。尽管在距离太阳系4光年外真的发现了半人马座α星的三体星系，但人类目前对遥远的系外行星还知之甚少。全国行星防御大会的研讨对象是潜在危险更为紧迫的近地小行星。
仅2021年，近地小行星飞掠事件就发生了1074次，科学家观测到有21颗小行星进入大气层。小行星飞行速度快，撞击能量大，给人类造成了极大威胁。
今年4月24日中国航天日当天，国家航天局副局长吴艳华在媒体上表示，中国将着手组建近地小行星防御系统，共同应对近地小行星撞击的威胁，为保护地球和人类安全贡献中国力量。
“杀手”小行星
2029年4月13日，在这个平凡的周五晚上，不出意外的话，一颗曾被视为“最具潜在危险的小行星”阿波菲斯将从北京上空自东南向西南划过。如果没有乌云遮挡，肉眼便能看到，当阿波菲斯再度回归地平线时，其亮度将达到最高。
这颗直径约为325米的小行星正以每秒30多千米的速度绕着太阳公转，它的轨道半长轴小于1个天文单位（AU），即小于地球到太阳的平均距离。每当这颗小行星接近和离开太阳时，其轨道都会与地球轨道相交。一旦发生撞击，将释放出相当于15.3亿吨TNT炸药爆炸时的能量，威力相当于“小男孩”原子弹爆炸时的十万倍。
2004年6月19日，夏威夷大学在美国亚利桑那州基特峰国立天文台的研究人员发现了这颗小行星，该研究由美国国家航空航天局（NASA）赞助。随后半年，科学家对这颗小行星进行了近200次观测。经计算，这颗小行星有1/450的可能性将于2029年撞击地球，它也因此得名“阿波菲斯”（古埃及黑暗、混乱和破坏之神），它的中文名称更为言简意赅——毁神星。
后经反复计算，NASA在2004年12月28日宣布，排除这颗小行星与地球相撞的可能。不过，阿波菲斯飞越地球时，离地表最近距离仅有3.84万千米，不到地月平均距离的1/10。
小行星，指的是沿椭圆轨道围绕太阳公转的自然形成的固态小天体。天文学家认为，它们由太阳系形成过程中没有形成行星的残留物质演变而来，有人干脆称小行星为“太阳系碎片”。
至于小行星的大小，国际上并没有统一定义。NASA将小行星尺寸下限定为“直径1米”，也有观点认为最小直径为10米。北京大学地球与空间科学学院教授焦维新解释说，因为只有直径10米以上的小天体在进入地球大气层时才不会被燃烧殆尽。截至1990年，直径约945千米的谷神星被认为是太阳系最大的小行星，不过它现在被重新定义为“太阳系中最小的矮行星”。
如果将太阳系八大行星的公转轨道画成同心圆，绝大多数小行星分布在火星和木星轨道之间，这个区域也被称为主小行星带，谷神星就是其中最亮的一颗。目前有98.5%的小行星在主带被发现，其中已被编号的就有120437颗。
而对地球有撞击威胁的主要是近地小行星，即公转轨道与地球轨道相交或距离非常近的小行星。
当小行星与地球的最小轨道交会距离小于等于0.05AU，绝对星等小于等于22时，便被视为“对地球有潜在危险的小行星（PHAs）”。绝对星等是用来比较天体不受距离影响的光度的单位，绝对星等值越小，星星就越亮，通常体积也越大，一旦发生撞击，造成的危害也就越大。
这些小行星在受到引力扰动或相互撞击时，大概率会偏离原有轨道，当其接近地球轨道时，很可能与地球发生碰撞，地球表面的陨石坑便是有力证明。大约6550万年前，包括恐龙在内的绝大部分地球动植物灭绝，其中一种原因猜想便是“陨石碰撞说”。
“时至今日，小行星撞击地球的危险仍然存在。”焦维新告诉《中国新闻周刊》，根据理论分析，直径在100米左右的小行星，目前观测到的数量只占总量20%～30%，尺寸更小的小行星，观测到的数量占比更低，也就是说，还有海量小天体尚未被发现，其中一部分很可能在被发现前就已经撞向地球。
事实也是如此，绝大多数小行星撞击事件都是在发生后才被人类所察觉。1908年6月30日上午7时许，一颗直径60～190米的小行星在距离地面6～10千米高的上空爆炸。爆炸发生在俄罗斯通古斯河附近，威力当于2000万吨TNT炸药。2000年1月18日凌晨，一颗流星体在加拿大育空地区首府白马市上空26千米处爆炸，形成巨大火球，夜空被照亮如昼。
小行星2008 TC3是人类历史上首颗被“预警”的撞地小行星，整个“撞击”过程被地面设备追踪长达20小时。2008年10月7日，2008 TC3由苏丹北部上空进入大气层并发生燃烧，无数陨石碎片散落在广阔的努比亚沙漠中。
小行星研究热
“一颗直径100～300米的小行星有高达1%的几率将于2027年4月29日撞上地球。”200多名天文学家、工程师和应急专家收到了这则虚拟预报。2019年5月，一场国际小行星撞击模拟演练在美国华盛顿附近展开。
随后，虚拟警示不断升级，这块太空巨石撞向地球的几率上升到10%，最后是100%。模拟演练中，天文学家确认该小行星将飞向美国西部城市丹佛，NASA于2021年启动探测计划，以近距离研究这颗“城市杀手”。
几个握有先进太空技术的国家和地区决定制造6个“动能撞击器”，通过撞击小行星来改变其轨道。五年后，3个撞击器成功撞上小行星，导致其主体转向，但撞击造成的一块较小碎片将继续飞向地球，而留给人类的时间已经不多了。
小行星碎片以每小时6.9万公里的高速进入大气层，在美国纽约的中央公园上空15公里处爆炸，能力相当于广岛核爆炸1000倍。这场演练最终以“曼哈顿地区被彻底夷为平地”的灾难告终。演练设计者、NASA工程师保罗·乔达斯坦言，杀手小行星在现实中出现的可能性极低，但他希望，问题能通过演练暴露出来并得到讨论。
从上世纪80年代开始，近地小行星逐渐成为学术领域和大众媒体关注的热点。
1983年，关于小行星、彗星和流行体的第一次国际会议在瑞典召开。次年，第一架带有CCD感光元件的望远镜开始用于观测小行星和彗星。一组可供对比的数据是，到1980年1月，人类观测到的近地小行星仅有53颗，而据NASA近地天体研究中心最新数据，截至2022年5月，已有28884颗近地小行星被发现，其中直径超过140米的就有1万多颗。
从1995年12月起，NASA喷气推进实验室开启了近地小行星追踪计划（NEAT），该计划获美国空军准许可使用夏威夷海勒卡拉火山的GEODSS望远镜，这台阔视场望远镜是空军用来观测人造卫星的。2001年4月开始，美国加州帕洛马山天文台1.2米口径的塞缪尔·奥斯钦望远镜也加入了这项计划。
尽管NEAT被誉为“最成功的小行星搜索计划之一”，但它仍无法覆盖全天区。美国还有卡特琳娜巡天系统，由NASA资助，美国亚利桑那大学月球和行星实验室负责开发和运营。此外，欧洲天文台、欧南天文台、俄罗斯天文台等也有搜索小行星的项目或计划。
2018年2月，中国作为正式成员加入了由联合国批准成立的国际小行星预警网（IAWN）。目前，紫金山天文台在盱眙观测站的近地天体望远镜是中国贡献共享数据的唯一主干设备，该望远镜有效口径为1.04米，系国内最大、国际第五的施密特型光学望远镜，可观测到直径300米以上的近地小行星，目前已经开展了“中国近地天体巡天”和“盱眙银河系反银心方向数字巡天”两个大型巡天计划。
从南京紫金山脚下沿栈道步行上山，30分钟便可到达位于第三峰顶的紫金山天文台。银色圆顶的天文观测室在连绵的山林中尤为显眼，紫台建成于1934年，标志着中国现代天文学研究的开始。赵海斌1996年从南京大学天文系毕业后便进入了紫台，当时观测用的是紫金山上一架口径40厘米的望远镜，要在露天条件下控制望远镜连续观测几个小时才能曝光出一张底片。那时，一百多公里外的盱眙观测站还在建设中，距离近地天体望远镜链接CCD探测系统并测试成功还要等10年。
今年元旦，盱眙观测站近地天体望远镜巡天时，其计算机自动捕捉程序发现了一颗亮度为20.6等的暗弱移动天体，视运动速度为0.704度/天，比一般小行星快很多。“我们觉得它很特殊，拿到电子图片后很快进行了人工验证。”赵海斌现在是紫台近地天体探测望远镜团组首席研究员，他告诉《中国新闻周刊》，这颗小行星直径约43米，接近半个标准足球场大小，与地球的最小轨道交会距离小于地月距离，不过没有撞击危险。该小行星很快获得了国际小行星中心给予的编号2022 AA，成为2022年人类发现的第一颗近地小行星。
今年3月，赵海斌和中科院复杂航天系统电子信息技术重点实验室研究员李明涛等人在国际行星科学领域期刊《伊卡洛斯》（Icarus）上发文，提出了一个天基监测预警方案。文章提出，地基光学望远镜观测存在盲区，建议将两台望远镜部署在地球领航轨道上，当有小行星从太阳一侧接近地球时，便能及时发出警告。文章还计算出了望远镜的初始轨道，并建立了发现和预警小行星的模型。
“天基与地基可以实现互补。”赵海斌介绍说，地基望远镜虽然工作寿命长，但观测时间和观测天区有限，同时很容易受大气条件制约，而这些短板恰好能被天基望远镜所弥补，天基监测可以实现全天候，且覆盖天区大、观测波段宽。
《中国工程科学》今年第二期杂志刊发的《近地小行星撞击风险应对战略研究》一文指出，在地基观测方面，盱眙观测站近地天体望远镜国际编目贡献率为 0.13%，中国另有32台口径1米以上的望远镜也可兼顾近地天体的监测。而在天基观测方面，中国还没有在轨服役的天基监测预警装备。中国目前还没有自行建立小行星数据库。
一位从事天文探测多年的研究人员解释说，在近地小行星观测研究的国际平台上，98%的贡献来自美国，编目工作自然也由美国主导。未来中国积累了更多数据，才能谈下一步的编目工作。
如何防御
人类对小行星的探究早就不限于观测。早在1996年1月，美国就成功发射了“近地小行星约会”探测器，经过4年的飞行，成功进入“爱神”小行星的轨道进行绕飞，测量小行星的密度、化学成分和磁场，并传回16万张照片与大量珍贵材料。
2003年，日本将隼鸟号探测器送往小行星25143。经过七年的宇宙旅行，隼鸟号穿越了近六十亿公里，第一次将采集到的小行星样本送回地球。样本分析结果首次于2011年的“月球与行星科学大会”上对外公开，不过，在对岩石的检测中，并未发现有机物、碳元素等与生命有关的物质。小行星作为太阳系的“老寿星”，被科学家认为是研究地球生命起源的绝佳样本。
小行星图塔蒂斯自1989年再次被发现起，便被划进了“对地球有潜在危险”的范畴。目前，对图塔蒂斯拍摄最清楚的图像来自“嫦娥二号”月球探测器。
北京时间2012年12月13日16时30分，在距离地球约700万千米的深空，“嫦娥二号”成功飞越图塔蒂斯，最近距离仅为3.2千米，飞越拍摄历时25分钟，获得了清晰图像。这是中国第一次对小行星进行探测，中国也成为继美国、欧洲空间局和日本之后，第4个对小行星实施探测的国家或组织。
通过观察、探测等活动获得小行星的轨道和物理属性等数据后，才能有针对性地实施“防御”措施。2019年那场模拟演习中的“小行星撞击计划”已经开始实施。2021年11月，美国的“双小行星重定向测试（DART）”航天器搭乘SpaceX公司猎鹰9号火箭发射升空，这是NASA开展的首次行星防御技术测试任务，旨在通过动能撞击改变小行星轨道。
据焦维新介绍，动力撞击偏转轨道的方法是人类目前已经掌握的技术，当前需要解决的问题是“深入掌握撞击对小行星轨道的效应”，对撞击器大小、速度、撞击方向以及如何选择撞击位置进行深入研究。此外，其他概念上的防御手段还包括给小行星安装火箭、安装太阳帆、伴飞飞船引力牵引、在小行星附近实施核弹爆炸等。
2020年，中科院复杂航天系统电子信息技术重点实验室研究员李明涛和他的同事们发文介绍了“以石击石”的防御概念。即在太空中捕获百吨级重量的岩石，然后操控岩石变轨，撞击对地球有威胁的小行星，最终将危地小行星偏转出撞击地球的轨道。
相比经典的动能撞击方法，“以石击石”方案对危地小行星的偏转距离可提升约一个数量级，为人类在短时间尺度应对百米级直径的潜在威胁小行星提供了新的思路。审稿人评价该文章提出了一个“新颖、有趣、高效防御危险小行星的潜在方法”。
中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁等人在公开发表的《近地小行星撞击风险应对战略研究》一文中指出，中国小行星防御领域研究起步较晚，2000年起依托国家国防科技工业局空间碎片专项科研，才陆续形成空间碎片监测预警及清除等共性技术和设备，为开展近地小行星撞击风险应对提供了关键基础积累。
在近地太空，漂浮着存量超过8000吨的巨大垃圾场。在所有太空垃圾中，近八成是失效卫星，以及卫星、火箭残骸等碰撞、解体而形成的碎片。去年3月，《科学报告》上的一篇文章指出，近地轨道上直径超过10厘米、可追踪的碎片已超过12000个，如果统计直径降至1厘米，碎片数目可能达上百万个。
天气预报、汽车导航、环境监测，人类现代生活已经时刻离不开卫星。理论上讲，在地球同步轨道上布设3颗通讯卫星，即可实现除两极外的全球通讯。然而，地球同步轨道只有一条，在赤道上方，这条轨道上的卫星发射由国际电信联盟进行调解，以保持卫星间有一定间隔，彼此不干扰，发射数量有限定。
于是，近地轨道成了卫星争相发射的“法外之地”，对发射数量或位置没有定规。由于近地轨道频率资源有限，各国“先占先得”。截至 2021 年 9 月，近地轨道共有约 7500 颗卫星。
一位研究学者告诉《中国新闻周刊》，近地小行星防御系统实际上是空间防御系统，建成后对各方面空间活动都将有所兼顾，不论是科研探究，还是其他目的的太空活动。
去年10月召开的第一届全国行星防御大会上，来自北京理工大学、 中国科学院国家空间科学中心、中国科学院紫金山天文台等单位的学者分享了专题报告。有数据科技公司首席科技官介绍了《亿级太空碎片实时监测系统底层技术》，中科院国家空间科学中心硕士生分享了《动能撞击偏转小行星轨道在轨验证任务设计初探》。
“我们争取在‘十四五’末期或者2025年、2026年实施一次对某一颗有威胁的小行星（的轨道改变技术实验）。”国家航天局副局长吴艳华今年4月接受媒体采访时表示，既进行抵近观测，又实施就近撞击，为未来人类真正应对小行星地外天体对地球家园的威胁，真正做出中国贡献。

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