不到八年后,也就是 2029 年 4 月 13 日星期五,一颗名为 Apophis 的 370 米宽的小行星将经过地球,比地球同步卫星更接近我们的星球。但是,尽管历法不祥,但这将是一个幸运的日子:阿波菲斯不会袭击我们的星球——无论如何,这次(它的轨道确保阿波菲斯将在 2036 年、2051 年、2066 年等再次造访我们)。到 2029 年,这颗小行星的通过将改为宇宙近距离剃须,相当于一颗高速子弹擦过你头上的头发——其中“子弹”携带的冲击能量相当于世界上所有核武库的总和。

这种危险的联系频繁得令人震惊。在 2054 年 9 月 30 日和 2060 年 9 月 23 日,一颗更大的小行星将带来更强大的冲击力,即美国宇航局的 OSIRIS-REx 航天器最近访问过的半公里宽的 Bennu,也将靠近地球。

Bennu 和 Apophis 都不足以构成生存威胁——它们的影响可能会摧毁城市和破坏地理区域,但不会像大约 6600 万年前灭绝恐龙的 10 公里宽的撞击物那样使人类陷入灭绝。尽管如此,这些小行星仍然特别令人担忧,因为我们展望未来越远,就越难确定任何特定的相遇是否会导致灾难性的撞击事件。这两个物体都是所谓的“引力锁孔”威胁——它们有可能在近距离穿越近地空间的一个小的、特定的区域,在这个区域,我们星球的重力会改变它们的轨迹 就这样 导致未来的遭遇以地球撞击结束。简而言之,它们都构成了一种长期但朦胧的威胁,这种威胁非常阴险,可能会让我们陷入一种对过于真实的风险的虚假自满状态。

我们不必接受这种引起焦虑的现状。不是每次这些和其他潜在危险的太空岩石飞过时只是咬我们的指甲,我​​们应该考虑另一种选择,“B 计划”。

最后一道防线

我们目前的行星防御方法归结为一厢情愿的想法,即不会很快发生任何坏事,我们最终会找到解决方案。到目前为止,我们一直专注于“态势感知”以了解威胁。这对于实际保护地球免受小行星的侵害是必要的,但还不够。而标准的下一步——转移潜在威胁,使它们不会袭击我们- 有其自身的问题,主要是成功的偏转通常需要提前多年进行干预。在这种模式下,许多被发现冲向即将与地球撞击的太空岩石已经突破了我们所有的防御。然而,还有另一种方式,有望从根本上改变我们保护自己的能力。

基本原理很容易理解。想象一下,你是兔子罗杰,在玩一场危险的机会游戏,在两扇未打开的门之间做出选择。在一号门后面,一架重 500 公斤的三角钢琴从一公里的高度掉在你的头上。在二号门后面,你会从同样的高度上落下 500 公斤的泡沫球。你选哪个?如果您是 Roger,您可能会选择一号门,但 科学美国人 读者会选择二号门。为什么?两者都具有相同的质量和势能,但基本直觉表明,大量泡沫球不会像一架钢琴那样对您造成相同的伤害。将质量分成更小的部分可确保每个部分携带的能量少得多,并且还将允许大气更有效地减缓每个碎片的下落。这是对我们提出的行星防御方法的一个相当精确的类比,我们亲切地称之为“PI”(发音为 π),它是“Pulverize It!”的缩写。

作者提议的“粉碎它!”的图表行星防御系统。
作者提议的“粉碎它!”的图表行星防御系统。火箭发射的“拦截器”(剩下) 在即将到来的小行星之前部署 (),将其分解成更小的碎片,然后在地球的高层大气中分解并燃烧(底部)。图片来源:Alexander N. Cohen (UCSB)、Peter Cohen

我们的想法(在提交给同行评审出版物的多篇技术论文中有详细说明,可在 我们的网站 和 arXix)将有效地将任何具有威胁性的小行星粉碎成大量直径约 10 米或更小的碎片。这是可能的,因为小行星的表面重力很低,而且大多数很容易破碎和分散。对于除了最大的撞击器(大于一公里宽)之外的所有撞击器,使用现有发射系统和相关技术从地球或其附近发射的非核拦截器弹幕都可以实现这种碎片化。我们使用小型核穿透器的相同系统也是应对大型威胁的一种选择。

一旦破碎,来袭的撞击物的能量将被地球大气有效地转化为热、声和光,就像防弹背心吸收铅弹一样。我们的分析表明,这种方法在减轻迫在眉睫的威胁方面非常有效:2013 年 2 月在俄罗斯车里雅宾斯克上空破碎的 20 米宽的太空岩石大小的撞击器可以在撞击前仅 100 秒被拦截,而一个的大小 通古斯 撞击器(直径 50 米)需要在撞击前大约五个小时拦截。像阿波菲斯这样大小的东西在撞击地球前 10 天就可以处理完毕,而像本努这样大的东西则需要提前 20 天破碎。与偏转方法相比,这些拦截时间非常短。如果需要,可以使用更强大的拦截器启用更短的时间。

当然,知识渊博的读者可能会意识到我们还没有讲完整个故事。毕竟,前面提到的车里雅宾斯克和通古斯的撞击都是空爆事件,并且在这两种情况下,自然和人工结构都受到了严重破坏。这种损害主要来自尸体在大气中分裂时发出的类似音爆的声波。

我们的 PI 方法不会消除空爆,而是通过在进入大气层之前粉碎来袭的物体,由此产生的小碎片将散布在更大的地理区域,每个碎片都会产生更小的冲击波,并且在不同的时间到达。就像你会认为防弹背心吸收了铅弹爆炸时会出现瘀伤和酸痛一样,人们也会认为声震波和相关的光和热闪光仍然会在地面上发生一些损害,就像威胁性的小行星的翻滚一样碎片在头顶的天空中燃烧。但与替代方案相比,这种损害是轻微的;对于类似车里雅宾斯克的撞击器,地面上的人会经历一连串响亮的“轰隆声”并看到一连串的闪光——窗户破裂的“声光秀”,而不是一场毁灭性的灾难。城市、地区或国家。

演示和检测

尽管我们的系统能够利用现有技术和运载火箭,但它的创建仍然需要大量投资。简而言之,这将是昂贵的。但即便如此,鉴于未能阻止小行星撞击所造成的几乎无法估量的损失,成本效益比还是非常有利的。

此外,它的创建将使我们能够更灵活地处理现在和遥远的未来已知的影响威胁。就像大规模疫苗接种计划用于主动预防流行病一样,PI 提供了一种主动应对许多小行星的方法,这些小行星虽然在其穿越地球的轨道上具有潜在危险,但不会造成直接威胁。虽然可能是一种有争议的方法,但它与我们在生活中实践的其他主动威胁管理几乎没有什么不同。我们可以在任何给定的近距离传球中缓解 Apophis 和 Bennu 等威胁,以免它们引发全面的紧急情况。我们有能力这样做。我们是否这样做不仅仅是一个技术问题,而是一个政策、合作和共识问题。这是一个国际合作可以造福整个地球的领域;就像当前强调集体解决地球气候和大流行危机一样,我们也一起解决“影响”危机。

可以使用相对较小的火箭来减轻车里雅宾斯克大小的威胁,这种火箭并不比为拦截洲际弹道导弹而开发的火箭大多少。减轻 Apophis 或 Bennu 的影响可以通过一个更大的发射器来完成,例如 NASA 即将推出的太空发射系统、SpaceX 的 Starship 火箭,或者甚至带有高速上级的小型运载工具,以便在地球月球附近进行快速运输。需要多个拦截器来增加成功的机会。未来的行星防御系统可能会在轨道上、月球上或月球周围部署拦截器,以实现“随时准备”的快速反应方法。从这个意义上说,行星防御系统可以类似于现有的国家导弹防御系统。

PI 有一个合乎逻辑的测试路径,从使用小行星“模型”的地面演示,到“合成目标”的太空测试,一直到对威胁最小的小行星的破坏尝试和在任何实际威胁目标之前进行的其他验证练习参与并减轻。

然而,我们无法减轻我们看不到的东西。美国宇航局和其他航天机构在寻找和跟踪那些具有重大威胁的小行星方面做得非常出色,但目前这些努力通常仅限于通常比阿波菲斯大的物体。存在许多尚未检测到的较小威胁,正如 2013 年车里雅宾斯克空爆所显示的那样。如果没有合适的、单独开发的“早期预警系统”,PI 和任何其他行星防御方法将提供次优保护。 PI 只是这个紧迫难题的一部分:为了妥善保护地球,我们必须充分睁开更多的眼睛看向天空。

想要查询更多的信息: www.deepspace.ucsb.edu/projects/pi-terminal-planetary-defense.