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近地小行星:地球不得不防的"近邻"
来源:科技日报 2018-10-11 16:48:13

10月5日,日本“隼鸟2号”探测器团队公布了小行星龙宫的最新近照。照片来自刚刚登陆龙宫表面的第三个探测器——移动小行星表面侦察登陆器(Mascot)。按照计划,Mascot将分析小行星的表面特性,包括其矿物成分和磁场。

与人们熟知的八大行星和冥王星相比,对小行星的探测起步较晚。“1994年发生的‘彗木撞击’事件引发了国际社会的高度关注,世界各国那时纷纷开展对近地天体的监测预警研究。”中国空间技术研究院研究员李明介绍,而目前研究较少的小行星则是太阳系中数量最多的天体,这些天体中离地球较近的近地小行星存在与地球发生撞击的可能。

有石自深空来,会对人类产生多大影响?人类如何对小行星的轨迹进行追踪并最终实现预测和开发利用?日前,香山科学会议召开第634次学术讨论会,探讨相关问题。

地球危局:近2000颗小行星产生威胁

今年6月,我国云南西双版纳发生火流星事件,多个村寨成为陨石的坠落点。后经专业机构研究发现,它来自火星与木星之间的小行星带,已经45亿岁了。幸运的是,这次火流星事件并没有造成人员伤亡,而陨落的陨石非常具有科学研究的意义。

直径较大的小行星撞击地球一般会造成严重的灾难。“一颗直径25米的小行星撞击地表相当于100万吨TNT炸药爆炸的效果,而广岛原子弹只相当于几万吨TNT炸药。”李明认为,小行星撞击地球是小概率、高风险事件。

天文学上定义,轨道在距离太阳1.3天文单位(1天文单位为日地平均距离,约为1.5亿千米)范围内,且与地球轨道距离小于0.3天文单位的天体为近地天体,是近地小行星和近地彗星的集合。其中直径大于140米且距离地球轨道最小距离在0.05天文单位范围内的潜在撞击威胁天体对地球构成直接威胁。

如果从地球的视角看,十几万颗小行星在不远处高速穿梭,如同不远处的“枪林弹雨”,偶尔会有“子弹”飞来击中自己。

“目前发现的潜在碰撞威胁小行星有1927颗。”李明说,但这个数目还不到模型预估总数的1/3。

“虽然概率很小,但是威胁巨大。”李明说,近地天体撞击地球会对全球环境、经济以及地缘政治造成严重灾难,是可能毁灭人类的重大潜在威胁。撞击产生的影响取决于撞击天体的大小、材质和撞击速度。当天体抵达地球时,与地球的相对速度高达每秒十几甚至几十公里,其携带的巨大动能在短时间内急剧释放,发生空中爆炸或地面撞击。

例如,2013年2月15日一颗直径约20米的小行星在俄罗斯车里雅宾斯克上空发生爆炸,间接造成3000余间建筑物受损,1600余人受伤,经济损失约2亿元人民币。而6500万年前一颗直径10公里的天体撞击在墨西哥尤卡坦半岛北部沿海的事件被认定是恐龙灭绝的直接原因。

全局监测:完成近地小天体编目

对近地天体进行普查搜巡,探测、发现出没于地球轨道附近的小天体,对其进一步监测并精确定轨,是预测撞击时间、地点和概率的基础。

1994年彗木撞击后,美国、欧洲、日本、俄罗斯先后成立国家近地天体监测预警中心;2013年联合国外空委为加强全球协调工作组建国际小行星预警网和空间任务咨询小组。目前对于近地天体的观测主要依靠地基光电设备和地基雷达。

“根据太阳系小天体形成和演化模型推算的近地天体数量,全世界现在已经完成了全部直径超过1公里近地天体的探测与编目。”李明说。更大口径光电设备实现90%以上直径超过300米近地天体的探测,然而,单纯依靠地基系统无法系统性普查直径在140米左右甚至更小的目标。李明解释,“地基系统受大气、台址位置、观测相位角的制约以及更大视场光电设备建设成本的约束。”

“人们通过观测认识小行星是从其亮度开始的,随后是形状,最后认识大小、密度、材质。”从事了十几年小行星地基监测工作的中国科学院紫金山天文台研究员赵海斌表示,但目前小行星的物理特性数据还相当匮乏,需要建立近地天基系统实现更精确监测和对更小目标的监测。

资料显示,在天基系统建设方面美国是先行者,其部署的近地天体红外探测望远镜(NEOWISE)迄今已监测了多颗小行星及彗星,是地基监测网的重要补充;2017年NASA立项的最新一轮发现计划中,入选项目之一NEOCam的主要任务就是利用天基系统开展近地天体巡天;美国B612基金资助的“哨兵红外望远镜项目”则试图发现直径50米以下的近地天体。此外,加拿大2013年发射的“近地目标监视微小卫星”(NEOSSat)50%的工作时间用于探测、监视近地天体并确定其轨道。

开发利用:仅是拍照、采样还不够

“离开这块该死的石头”是《苍穹浩瀚》中小行星带居民们的口头禅。在因同名美剧火爆的科幻书中,小行星带已经成了人类可移居的殖民地。

如果说,移民小行星带还停留在科学幻想阶段,但现在人们已经开始对小行星的资源进行初步的了解。而“到石头上去”是现今地球人执着推进的深空探测任务之一。

李明等在其评述报告中写道,近距离探测小行星包括“飞越探测”“绕飞-附着-采样”“偏转-操控-利用”等低中高级3个阶段。目前,美、欧、日先后完成了小行星飞越、近地小行星绕飞、近地小行星取样返回、彗星撞击等标志性任务。

资料显示,我国首次的小行星飞越观测由嫦娥2号月球探测器在2012年12月13日完成。嫦娥2号月球探测器在完成探月既定任务的同时,在国际上首次实现了从日地拉格朗日点飞越小行星的轨道转移,成功飞越4179图塔蒂斯小行星并拍摄图像,最近飞越距离为770米。这个高度低于已建成的迪拜塔的高度,可谓贴地飞行。

如果说“拍照”和“采样”是回答有什么的问题,那么资源开发技术将回答能做什么的问题。

小行星的探测工作发展到高级阶段后,对资源的开发将需求更多的能源。在地球语境下可以理解为:“挖矿需要电”。

如何利用小行星上的资源成为人类“一日千里”地迈向小行星的关键。李明举了个例子,太阳能电池的3D打印技术有广阔的应用前景。如果3D打印硅基材料可在小行星上得到应用,“探测器仅需要携带原材料和模型电子文件,着陆后打印生成所需各种结构,甚至也可从小行星就地取材。”李明说,这样可以避免飞行时搭载构型复杂的设备,大大简化探测器构型和力学设计。

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