小行星猎人:新技术将如何帮助地球避免灾难性碰撞

9月4日,一颗小行星被发现正向地球靠近。天文学家迅速确定它将在10小时内撞击地球。菲律宾的吕宋岛处在冲击线上,他们只能眼睁睁地看着。果然,按照预测,在协调世界时16:39(英国时间17:39),这颗太空岩石坠入地球并燃烧起来。如果你在想为什么你还在这里读到这些,那是因为这颗陨石只有一米长。太小而无法造成任何损害,这颗小行星安全地在高层大气中点燃,暂时地在天空中画出一条蓝绿色的光迹。

事实证明,小行星时常撞击地球。它们不值得担心——但只要稍微大一点,就可能成为威胁。一颗仅有20米长的小行星在空中爆炸就能摧毁窗户并将人震倒。50米的太空岩石能毁灭一个城镇,导致广泛的基础设施损坏、伤亡波及爆炸地点数英里外。而140米长的小行星会直接到达地面,在地球表面切开一个洞,轻易毁灭一个繁华的大都市。亿万年来,地球一直处于这种宇宙威胁的支配之下——但时过境迁。

如今,存在一个应用科学领域称为“行星防御”,正如其名:科学家和工程师不分昼夜地工作,以保护世界免受末日太空岩石的袭击。他们通过监视天空,扫描夜空寻找可能向我们靠近的小行星。在未来几年内,两台下一代望远镜将开始运行,它们能找到几乎所有连最锐利的天文学家都未能发现的太空岩石。如果这些任务实现了其巨大承诺,全球80亿人将比现在安全得多。行星防御分为两类。

第一类是更具攻击性的,使用技术偏转或摧毁那些140米长毁城或50米长毁镇的小行星。2022年,NASA进行了历史上首次行星防御实验。作为“双小行星重定向测试”(DART)任务的一部分,它将无人驾驶的宇宙飞船撞向一颗(无害的)小行星,看看是否可以将其偏转。DART测试通过,这一真实全球紧急情况的彩排表明,足够大的小行星如果威胁到一座大都市,我们可以精准而有力地将其撞出地球轨道。

然而,这项技术有一个巨大警告:如果我们不知道小行星在哪里,就无法偏转它们。这就是为什么行星防御是一个协作的努力。当太空机构建造宇宙飞船和开发偏转(或摧毁)来袭小行星的技术时,其他人则盯着天空,寻找任何可能威胁我们的近地小行星。目前,地球的持续安全依赖于光学天文学:望远镜寻找尚未被发现的太空岩石上反射的阳光。许多天文台进行各种天文探索;发现小行星是在这些调查中意外发生的一些事情。

一些望远镜,包括一些由NASA资助的,专门用于寻找漂流的小行星。这种寻找太空岩石的方法已被证明相当有效,尤其是针对更大的小行星。NASA估计绕地球轨道飞行的多数千米长以上的地球毁灭者——一般在地球轨道附近的太阳周围——已被发现。(66百万年前迅速结束非鸟类恐龙统治的小行星有10公里长,毫无疑问属于地球毁灭者类别。)而且NASA还预测几乎找到了一半的140米近地城市杀手大小的小行星。

(幸运的是,它们目前没有一个在与地球相撞的轨道上。)
但现有的搜寻小行星的调查不足以保护地球。仍有大约14,000颗具备摧毁城市潜力的近地小行星待发现。而已确定的50米长近地小行星只有少数;NASA认为还有几十万个毁镇的太空岩石隐藏在附近。天文学家一直在呼吁更好的工具来扫描星空,寻找这些小行星在它们发现我们之前。幸运的是,他们即将得到两个。

第一个是NASA的近地天体调查员(NEO Surveyor)任务。它本质上是一个将隐藏在外太空的狙击手。在发射后的10年内,它将发现90%以上尚未通过常规手段发现的城市杀手小行星。这一行星防御任务经历了艰难的发展历程,不得不花多年时间与其他纯粹为了科学好奇心探索行星的空间任务概念竞争关注度。但今天,它是一项独立的专有资金任务,NASA最近批准开始建造。它的秘密武器是:

不是用反射的星光找小行星,而是寻找它们的热信号。使用可见光侦测小行星允许天文学家看到移动的物体并估计其大小。但这种方法存在一个问题:一颗具有闪亮岩石外壳的小行星反射的光与一颗具有暗哑木炭般外壳的大小行星一样多。这意味着很难用反射光判断小行星的大小,这对于试图确定它是否是毁镇者还是城市杀手非常困难。第二个问题是,可能有许多小行星隐藏在太阳的光辉中。

如果你试图用肉眼看太阳——我不建议这么做——你将难以看到任何东西。同样的情况适用于地球的望远镜:如果它们对准太阳,许多小行星将变得隐形,像在熊熊大火前的小火柴一样。NEO Surveyor绕过了这两个问题。它将远离地球,并配备太阳遮挡罩,将成为有史以来最冷的物体之一。这使得其红外眼极为敏感于任何热源,包括被太阳加热的城市杀手小行星。

它将感知到即使隐藏在太阳光辉中的小行星,它们也会迅速出现在其望远镜中。这项NEO Surveyor任务预计将在未来五年内发射。并且在它发射时,地面上已经有一个伙伴在统计自己的近地小行星数目:正在智利山区建设的Vera C Rubin天文台。与NEO Surveyor不同,鲁宾不是专门的小行星猎手,它依赖于反射的星光,而不是红外辐射。但它拥有有史以来最先进的机械眼。

搭载巨大的镜面能收集最微弱、最遥远的星光以及3200万像素的数字相机,体积如汽车般大小,它将看到并记录黑暗天空中任何移动的物体,从遥远的爆炸恒星到星际彗星。鲁宾天文台还将创建太阳系内几乎一切物体的详细清单,包括环绕地球飞行的一大堆物体。在1801年首次发现小行星后,花费了两个世纪才找到一百万颗。在2025年开始的六个月操作内,鲁宾将使这个数字翻倍。换句话说,这是一个多才多艺的望远镜;

在完成所有其他任务之外,它将比地球上的任何其他探测器更快地找到各种形状和大小的小行星。像任何基于地面的天文台一样,鲁宾仍需应对恶劣天气和越来越多反射的人工卫星遮挡其视野。但与NEO Surveyor一起,它将完成传统望远镜常常难以做到的事情:发现潜在的灾难性小行星。

事实上,NEO Surveyor和鲁宾天文台的联合作用意味着,到2040年代,我们应该知道地球未来一个世纪内是否面临被城市杀手大小的小行星撞击的危险。如果我们确实发现自己处于火力之中,那将是可怕的。但至少我们可以采取行动:太空机构可以发射任务偏转它——无论是用类似DART的宇宙飞船撞击它,还是用核爆炸积极地辐照它的一侧——或将其击成碎片,或者至少(在确定撞击区后)计划让那些受影响区域内的人避难。

如果发现未来一段时间内没有这些小行星朝我们方向移动,那么人类可以集体松一口气,少一个存在的风险需要担心。在我们物种大部分历史中,我们无法支配太空。太空是影响我们的东西,而不是我们影响它。即使在绕地球建立空间站,宇航员访月以及向星际空间发送航天器之后,我们仍然是宇宙的被动观察者。行星防御使我们成为其中的主动参与者。

我们不仅生活在能够制作夜空及其中一切的详细地图的时代,我们还能够重新安排我们的银河邻居,使其成为一个更适合居住的地方。世界被困在许多困境中:气候危机、战争、贫困、政治动荡、流行病、环境破坏。地球是一个美丽而困扰的地方。但越来越多地,它正受到来自天外威胁的保护——为此,我们无疑可以心怀感激。