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别拿小行星不当问题

2005-12-15 10:00 作者:吴戈 2005年第45期
11月23日,日本的小行星探测器“隼”终于成功地在小行星“系川”表面着陆,完成了为期半小时的采样活动

11月23日,日本的小行星探测器“隼”终于成功地在小行星“系川”表面着陆,完成了为期半小时的采样活动。

手忙脚乱的日本人

小行星是指那些像地球一样围绕太阳运转、但体积太小而不能称之为行星的天体。小行星采样返回,将使没有独立开发载人航天技术的日本在人类宇宙探测史上争得一个第一。然而日本不得不承认,这个第一不容易。

2005年9月12日,2003年发射的“隼”经过近3亿公里的跋涉,抵达距小行星“系川”20公里位置。9月底接近到7公里,对这颗1998年发现、以日本火箭科学之父系川秀雄命名的小行星进行详细测量,并计划在11月内两次下降到小行星表面采样,12月踏上归途,2007年7月在澳大利亚着陆。

“系川”长630米,状如土豆,从目前获得的照片上发现:“系川”的表面崎岖不平,主要是块状物而不是风化层,密度也比预期的小,可能是由被重力结合在一起的小石块构成。

刚刚抵达,“隼”用于保持稳定的三套陀螺仪就有两套失灵,只能用剩下的一套和推进器一起控制姿态。11月4日,“隼”开始着陆采样的预演。下降开始后,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)位于相模原的地面控制中心发现信号反常,无法精确找到着陆点,只好在700米距离时放弃。11月12日,“隼”又准备按计划下降到55米,释放一个仅10厘米高的机器人“密涅瓦”,它将在“系川”表面完成数次10米高的跳跃,测量温度和拍照。

由于仪器受“系川”表面的斜坡影响错判了高度,控制人员发现错误时,“隼”的距离已经比计划近得多。更糟糕的是,此时日本与探测器联系的天线也告失灵,当改用澳大利亚的天线重新接通时,已经过去40分钟。释放机器人的指令还是发出了,此时“隼”却已经为保持自身的最低高度而启动了推进器,这种调整在下降过程中每10分钟就要进行一次。当地面指令又经过16分钟传到时,“隼”已经回升到约200米高度,正以15厘米/秒的速度飞离,机器人已经不可能落到“系川”上,只能无可奈何地漂向太空。“隼”的项目经理川口淳一郎说:“这是我们的责任,我们的准备工作不充分。”

11月20日,“隼”将原定的首次采样改为着陆预演。凌晨5时30分,一个小金属球被作为目标标识器从40米高度成功投到“系川”表面。当“隼”接近到17米高度时,突然遇到位置和速度数据故障,同时与地面失去联系,地面控制中心一度宣告它“处于失踪状态”。当4个小时后恢复联系时,已错过了目标。

不明确的危险

2004年12月20日,NASA喷气推进实验室的史蒂夫·切斯利发现:当年6月才发现的一颗小行星2004 MN4可能威胁地球,撞击的概率为1/5000。切斯利预测:2029年的4月13日将有一个极其特殊的夜晚,这颗危险的小行星将到达与地球最近的距离,并有可能击中地球。

随后,新的研究将撞击概率提高到1/2000。MN4的发现者之一、夏威夷大学的大卫·托伦于这天早晨算出的概率居然高达1/38,而且继续上升,一度曾冲高到1/17。MN4被发现后,又很快从视线中消失。直到12月底,对它的轨道估计才越来越清晰。27日晚些时候,切斯利在网上正式解除了警报,宣布“2029年撞击地球的可能被排除”。

到2005年1月初,MN4撞击地球的可能性已降到可以忽略不计,地球似乎又安全了。当小行星非常靠近一颗行星时,对方的重力会轻微改变它的轨道,速度也将略为加快,距离越近,变化越大。这一现象正是过去几十年许多行星际无人探测器“重力辅助”飞行的基础,它使有的探测器已经飞出太阳系。MN4这次经过以后会发生什么?还不知道。因此它还是本世纪可预见的危险中最严重的一个。这块石头虽然方圆只有约300米,却足以毁灭一座大城市。如果击中海洋,引起的海啸也将毁掉几个沿海城市。

最近,美国史密桑尼亚天体物理观测台的布赖恩·马斯登宣布:1997年发现的小行星XF11将于2028年靠近地球,距离可能比月球还近,与地球相撞的可能“也不能完全排除”。就在舆论一片哗然之时,第二天喷气推进实验室的保罗·乔达斯和唐·约曼斯表示:撞击的可能性基本上是零。这也得到了夏威夷近地小行星跟踪工程的证实。但马斯登认为:解除警报并不等于高枕无忧。2028年XF11可能不会撞上地球,但距离已经近到足以改变XF11的速度,使它下一步的路线更加不确定,今后与地球撞击的可能性仍有1/50000。

马斯登等人还发现了评估撞击可能的新方法:首先假设有危险的小行星会撞上地球,然后画出从现在到撞击地球所需要的轨迹,从中精心划定一些小行星撞上地球必经的“锁眼”区域。监视小行星的天文学家不必满天搜寻,只需扫描“锁眼”,如果小行星不在里面,地球就是安全的,即使这颗小行星的准确位置并不确切知道。

这也正是MN4令人恐慌之处。虽然已经知道它在2029年会错过地球,它仍可能转回来,在2035或2036年4月13~14日撞上地球,预测的其他时间包括2046(这是先见之明吗?)、2048、2054和2055年,这个世纪总的风险是1/6000。直到我们看到MN4在2029年经过哪个“锁眼”区,否则风险很难进一步明确。现在MN4已经被命名为“阿波菲斯”(Apophis,古埃及破坏神Apep的希腊语名字)。

攻击,或者引诱

对即将撞来的小行星采取行动的想法也由来已久,好莱坞式的设想是用原子弹攻击。2005年9月初,德国航空航天中心公布了导弹攻击小行星的数学模型。过去只考虑了导弹迎头或从后方不带倾斜角地攻击,新的模型考虑了月球和包括地球在内的所有行星的重力场影响,以确保小行星能以安全距离(地球半径的两倍)经过地球。经过对100个假设的小行星和“阿波菲斯”的计算,结果表明:在一颗小行星距撞上地球还有两三圈轨道时,倾斜攻击将能比平行攻击更有效地把它推入安全轨道。研究小组负责人埃科哈德·库尔特表示:“应用现有的技术,我们就完全能偏离这样的物体。”

不过,人类对小行星的内部结构还知之甚少,它是布满裂缝和空洞的实心体,还是由更松的碎石组成?使它偏离轨道,是否会使它四分五裂,让地球遭受更多的撞击?地球的重力会对经过的小行星产生不平衡的拉伸,虽不足以使它碎裂,却会影响其内部结构。在没有把握的情况下,最好的办法还是轻轻地将它推开。

NASA约翰逊航天中心的华裔宇航员卢杰(英文名爱德华·卢)和同事史坦利·洛夫认为:“(爆炸)方案不可取的原因在于,小行星爆破后无法确定随后出现的结果。”由航天器在小行星表面着陆后将其推开或拖走也有不少困难。大部分小行星都在旋转,有些小行星可能太小,很难固定和拖曳。卢杰提出的方案是重力拖曳,即发射足够重的航天器靠近小行星表面,它的重力就能产生一定的引力,使小行星轨道偏转。

通过计算,如果提前20年发射一艘质量20吨的“重力拖船”,采用核动力离子推进发动机,靠近到小行星附近50米左右,就能在一年内使200米宽的小行星发生轨道偏转。对2029年经过地球的“阿波菲斯”,只需发射一艘重约1吨的飞船就能避免它撞上地球。卢杰预计,这种飞船完全可行,最迟在2015年就可能实现。NASA耗资几十亿美元、打算探索太阳系外的“普罗米修斯”计划就曾设想制造这样大的核动力飞船。

加州大学行星科学家埃里克·阿斯弗格说:“这是我看到的最佳方案,但需要在适当的时机发射足够重的飞船。不过许多不到500米的小行星可能要到撞上地球前几年才会被注意到。因此现在应该重点研究精确预测撞击时间和地点的方法。然后政府可以研究受影响的区域,有时从经济的角度看,宁愿让它撞上来。”

更简单的办法是改变小行星颜色,比如将小行星表面涂成深色或浅色,使其吸收或反射阳光,改变受热状况,产生不均衡的反作用力,如果恰到好处,就能使小行星逐渐偏离轨道。不过这种方法需要的涂料数量可能惊人。

是时候了

除了小行星,威胁地球的还有彗星。虽然唐·约曼斯说:“现在只有1%的危险来自彗星。”但只有两三个足球场长的苏梅克-列维9彗星却在木星上留下了比地球还大的一个疤。经过超级计算机的模拟,一颗宽800米的彗星如果以近64.36公里/秒的速度撞入地球某个海洋,3000亿吨TNT当量的爆炸将产生弥漫全球的水蒸气云,彻底扰乱全球天气与生态环境。

掌握自己的命运,是一个高级文明的表现。早在90年代中期,美国南卡罗来纳大学的乔治·弗雷德曼就提出了大型地外物体防御的一系列两难境地:一颗中等大小地外物体撞击的后果估计为死亡612000人,损失财产16000亿美元。而立即研制与部署可靠的探测和拦截系统,对付直径1公里的地外物体威胁就需要10000亿美元。

根据“太空守望”计划的观测,现在已经记录在案的小行星数量只是很少的一部分。要彻底了解小行星的内部问题,必须对它直接进行复杂而昂贵的实地试验。2006年“阿波菲斯”又会非常靠近地球,为了准确掌握它的位置,最好的方法是给它安装一些简单的地震检波器。这是原“阿波罗”宇航员鲁斯基·施韦卡特创建的B612基金会的目标之一。他们希望2015年在不可能与地球相撞的小行星上开展研究,同时也探索几种偏离小行星的方法。科罗拉多的西南研究所的丹·杜达说:“自然界给了我们试验的机会,(‘阿波菲斯’)飞过地球时可能会吱嘎作响,我们可以确定它的内部到底发生了什么。”

现在NASA估计:如果“阿波菲斯”在2029年经过地球时飞过一个600米宽的“锁眼”区,它在2036年与地球相撞的概率就有1/5500。但在2013年对它实施进一步的雷达观测之前,仍不知道它将飞向哪里。NASA负责科学的副局长玛丽·克里夫表示:“虽然我们将继续密切监视‘阿波菲斯’,但现在只是因为它可能有撞地球的危险就实施航天任务,还不太确定。”如果2013年的观测发现“阿波菲斯”对地球构成威胁,NASA将会发射飞船前往探测,2019年抵达后,将向其表面或附近投放无线电应答器,以准确预测其轨道。如果发现它在2036年继续威胁地球,NASA将再发射一艘飞船,在2024~2028年使其偏离。但B612基金会还提醒道:NASA现在只负责跟踪近地物体,美国还没有指定机构负责对小行星或彗星采取措施。“这是公共安全问题,而不只是科学问题。”

NASA还有一项“黎明(Dawn)”计划,目标是探测太阳系内最大两颗小行星——“灶神”和“谷神”。该计划原定2006年6月发射,耗资3.73亿美元,采用离子推进发动机,将在木星和火星之间的小行星带飞行,2010年7月到达长560公里的“灶神”,围绕其飞行约11个月进行测绘,2014年8月到达太阳系最大的小行星、宽约960公里的“谷神”。但由于经费和技术困难,该计划已于2005年10月20日暂时中止。

9月26日,欧洲航天局为其代号“堂吉诃德”的小行星探测任务选定了两颗作为试验目标的小行星。该计划将发射两艘探测器分别飞向目标,其中称为“桑丘”的观察探测器将提前几个月进入环绕小行星的轨道,明确其精确轨道。当称为“绅士”的探测器以每秒10公里的速度撞击小行星时,“桑丘”将在附近观察效果。探测器的方案和目标最终确定将于2007年完成。

专访北京天文馆馆长朱进研究员

三联生活周刊:为什么小行星近些年特别引人关注?

朱进:主要是人们现在越来越意识到小行星撞击的危险,以及小行星采矿的前景。另外新的观测和处理技术的发展,以及一些大的小行星观测项目的启动,也使得在小行星领域的新发现越来越多。

三联生活周刊:人类对小行星的观测由哪个机构负责?如何命名?

朱进:观测本身没有统一的组织,各个小行星观测项目自己运作。观测资料统一上报到位于美国波士顿的国际小行星中心,由小行星中心进行统一编号。小行星是目前惟一可以由发现者命名的天体。当小行星在至少四次回归中被观测到,又能精确确定轨道,发现者将得到命名权,须在十年之内行使。绝大多数小行星的命名反映了发现者对特定的人物、地点、组织或事件的纪念,但政治家、军事家或政治、军事事件必须在逝世或发生一百年之后才能用于命名,最终还要经过国际天文学联合会批准。

三联生活周刊:现在有多少小行星可以被观测到,这取决于什么因素?

朱进:理论上,目前能被世界上最强大的天文望远镜观测到的小行星肯定是不计其数的,但关键是这些望远镜绝大多数并没有在观测小行星。即使它们都同时用于小行星观测,大致也只能观测到小行星中的一部分。截止到2005年11月18日,已经被命名的小行星就已达到12712颗。能被观测到的小行星的数目取决于小行星实际的数目、大小、距离、亮度、用于观测的望远镜的情况、天气情况和想观测小行星的人。

三联生活周刊:有没有发现不了,却对地球构成威胁的小行星?

朱进:以目前的观测情况而言,肯定有一些这样的小行星还没有被发现。没观测到小行星撞上地球还是有可能的,现在的问题不是观测不到,而是没有去观测。截止到2005年11月20日,全世界共发现近地小行星3659颗,包括潜在危险小行星687颗。

三联生活周刊:我国的小行星观测是如何进行的?

朱进:从1950年到1984年,紫金山天文台在南京和兴隆共发现获暂定编号的小行星1000颗左右,其中有152颗小行星由紫金山天文台获得永久编号和命名权。国家天文台施密特CCD小行星项目从1995年5月到2001年底,在兴隆共发现获暂定编号的小行星2719颗,截至2005年11月已经有1044颗小行星由该项目组获得国际永久编号和命名权,其中有32颗小行星已经获得命名。

三联生活周刊:我国在小行星灾难预测方面的水平如何?是否发出过警告?

朱进:我国目前在这个领域的研究人员还非常少,又几乎没有第一手的观测数据,因此基本不具备发出警告的条件。

三联生活周刊:我国有没有发现确定是小行星撞击的地理痕迹?

朱进:据我所知还没有。但我们马上要做一个有关的课题,也许很快就会有一些结果。

三联生活周刊:既然生命在宇宙中如此脆弱,作为一个天文学家,您相信人定胜天吗?

朱进:当然是不可能的。就小行星撞击而言,能毁灭人类的撞击的发生是早晚的事儿,除非有人为的干预。当然这是对非常非常长的时间尺度说的。在我们有生之年,大的小行星撞击发生的可能性是微乎其微的。

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