小行星正在“盯緊”地球！人類如何防御“飛來橫禍”？

小行星撞擊風險是人類長期面臨的重大威脅，關乎全球安危與文明存續(xù)，監(jiān)測預警是行星防御的第一步，使命重大，也是重要技術挑戰(zhàn)。

藝術家筆下的小行星碰撞

無法忽視的巨大威脅

太陽系存在眾多小行星，尺寸在幾米到幾百千米不等，形狀各異，飛行在環(huán)日軌道。大部分小行星分布在火星與木星軌道之間的小行星帶和海王星外的柯伊伯帶，但也有一些小行星距離太陽和地球更近。

火星和木星之間的小行星帶

小行星的空間分布（綠色是近期不會接近地球的小行星，紅色是近地小行星）

人類賴以生存的地球面臨眾多威脅，小行星撞擊是最嚴重的一種，歷史上曾引發(fā)過10次以上不同程度的生物滅絕事件。小行星以極高速度進入地球大氣，在大氣中形成高溫高壓沖擊波，尺寸小、結構疏松的解體碎塊，燃燒殆盡；尺寸大、質地堅硬的可能穿過大氣層，撞擊到地球表面，釋放巨大動能，引發(fā)森林火災、地震、海嘯等災難性后果。

6500萬年前，一顆直徑10千米的小行星撞擊地球，引發(fā)全球性森林火災和強烈的地震、海嘯，塵埃和灰燼彌漫天空，遮住陽光，使地球溫度下降16℃，影響長達百萬年，地球上包括恐龍在內(nèi)70%的物種滅亡。

科學家推測，恐龍滅絕有可能是小行星撞擊導致的

漫畫作者 Dave Coverly，來自漫畫“Speed Bump（減速帶）” 。 文字內(nèi)容：“我承認，這一發(fā)現(xiàn)確實像是印證了恐龍滅絕的小行星撞擊說?！?/p>

通常直徑大于60米的石質隕石或大于20米的鐵質隕石可以穿過地球大氣。小行星的體積和重量越大，撞擊地球時造成的危害越大。國際上以等效直徑衡量小行星的威脅程度，劃分為5類。

第一類等效直徑在千米級，可引發(fā)全球性災難，約70萬年遭遇1次，6500萬年前的恐龍滅絕災難約1億年1次。

第二類等效直徑140米級，引發(fā)洲際級災難，約3萬年遭遇1次。2019年7月，命名為2019OK的小行星，在7.2萬千米外與地球“擦肩而過”，直徑大約57～130米，如果撞擊地球，產(chǎn)生的爆炸威力相當于廣島原子彈的5000倍。

第三類是50米級，可引發(fā)大型城市級災難，約兩千年一次。1908年6月，一顆直徑30～50米的小行星撞擊地球，在俄羅斯西伯利亞通古斯河上空爆炸，威力是廣島原子彈的1000倍，引發(fā)森林大火，焚毀2000平方千米范圍內(nèi)超過8000萬棵樹木。

第四類是20米級，可引發(fā)城鎮(zhèn)級災難，約200年一次。2013年，一顆直徑約17米的小行星，穿越大氣層，在俄羅斯車里雅賓斯克地區(qū)上空90千米處爆炸，造成1600余人受傷,1000多間房屋受損。

第五類是米級，每年都在發(fā)生，不過尺寸過小，無法穿越大氣層，大多發(fā)生空爆并出現(xiàn)火流星現(xiàn)象，爆炸后散落的隕石碎片也可能造成人員傷亡。1988年至今，全球記錄平均每月發(fā)生2次火流星事件。

天文學定義與地球最小距離在0.3AU(1AU是日地距離)范圍內(nèi)的小行星為近地小行星，目前已發(fā)現(xiàn)超過3萬顆，其中一部分的運行軌道與地球軌道相交，存在撞擊地球的可能。與地球最小距離在0.05AU、直徑大于140米的小行星被定義為有威脅的近地小行星，占總數(shù)的近十分之一。

此外，小行星進入地球一定距離范圍內(nèi)，有可能被地球引力俘獲,改變運行軌道，撞向地球，它們的軌道同時也受太陽系其他大天體的引力攝動，不斷變化。所以，對地球有威脅的小行星并不恒定，而且威脅程度經(jīng)常發(fā)生變化。

地基監(jiān)測為主

近地小行星撞擊地球誘發(fā)巨大災難，是必然發(fā)生的事件，是人類長期面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著科技進步，人類逐漸形成對小行星撞擊風險的研判和預測能力，通過建設小行星監(jiān)測系統(tǒng)，探測追蹤危險小行星，可以對撞擊時間、落點、危害程度進行提前預報，采取有效處置手段，最大限度降低風險。

小行星監(jiān)測預警主要開展3方面工作。一是近地小行星編目，通過天基、地基監(jiān)測設備，發(fā)現(xiàn)新的小行星，進行定軌編目。二是威脅預警，對編目中有一定威脅的小行星，開展精密跟蹤，獲取精確軌道參數(shù)等信息，評估撞擊風險和危害程度。三是短期預報，對即將在近距離掠過地球、撞擊概率較高的小行星，進行精密跟蹤測量，持續(xù)預報撞擊區(qū)域。

目前發(fā)展最成熟、使用最廣泛的監(jiān)測預警設備是地基光學望遠鏡，通過在不同時間對同一片星空重復觀測，對比區(qū)域特征變化，發(fā)現(xiàn)彗星、小行星及變星，確定小行星位置。1992年，美國啟動“太空衛(wèi)士巡天”項目，開始系統(tǒng)性的監(jiān)測小行星活動。首先投入運行的是林肯近地小行星研究計劃，包括2套1米口徑和1套0.5米口徑望遠鏡。

2005年，美國國會通過“近地天體授權法案”，要求美國宇航局記錄直徑超過140米、近日點小于1.3AU的近地天體，涵蓋范圍要達到90%。美國啟動卡特琳娜巡天系統(tǒng)、泛星計劃、探索信道望遠鏡和大型綜合巡天望遠鏡等地基光學望遠鏡建設，開展小行星監(jiān)測預警。

卡特琳娜巡天系統(tǒng)使用的望遠鏡

卡特琳娜巡天系統(tǒng)由3臺光學望遠鏡組成，其中1.5米和0.7米口徑的2臺寬視場巡天望遠鏡用于尋找未知小行星，1臺1米口徑窄視場望遠鏡用于精確跟蹤測量。一旦發(fā)現(xiàn)可能撞擊地球的危險小行星，系統(tǒng)立刻切換到應急模式，調(diào)動3臺望遠鏡對危險小行星進行跟蹤測量，判斷目標是否會撞擊地球。

卡特琳娜巡天系統(tǒng)貢獻了過半數(shù)人類發(fā)現(xiàn)的近地小行星，這種“2+1”的獨特設計，使系統(tǒng)在預報小行星撞擊風險方面發(fā)揮出色。迄今人類共7次成功預報小行星撞擊地球事件，5次歸功于卡特琳娜巡天系統(tǒng)。

泛星計劃由4臺1.8米口徑的望遠鏡組成陣列，同步觀測同一天區(qū)，產(chǎn)生相當于3.6米口徑望遠鏡的分辨率?？ㄌ亓漳群头盒怯媱澥钱斍叭祟惖鼗⌒行潜O(jiān)測的主力，是近10年發(fā)現(xiàn)近地小行星最多的系統(tǒng)。2022年，各國共發(fā)現(xiàn)3182顆近地小行星，卡特琳娜巡天系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)1291顆，泛星計劃望遠鏡發(fā)現(xiàn)1263顆，兩者聯(lián)合占比80%之多。

泛星計劃望遠鏡

探索信道望遠鏡是美國本土第五大天文光學望遠鏡，主鏡口徑4.2米，有可見光和紅外2種成像模式。大型綜合巡天望遠鏡目前仍在建設中，坐落于智利北部帕穹山的伊爾佩恩峰，主鏡口徑達8.36米，擁有極強的匯集光線能力和極高分辨率，視場寬廣，每3天可以完成一次全天域觀測，相當于其他望遠鏡幾年的工作量，啟用后將成為世界上性能最強的小行星觀測設備。

此外，美國還建有2個用于行星探測的地基雷達站，分別是阿雷西博射電望遠鏡和金石太陽系雷達。雷達通過發(fā)射信號并接收小行星反射的回波，對小行星軌道、形態(tài)、結構和物質組成進行精細探測，一般在小行星飛抵地球距離0.3AU時，用于臨近預報。

阿雷西博射電望遠鏡

歐洲在2009年啟動“太空態(tài)勢感知”計劃，利用各成員國的地面雷達和光電設備監(jiān)測人造天體、空間碎片和潛在威脅天體，動員14臺0.4～4.2米口徑的望遠鏡，用于近地小行星監(jiān)測預警、在軌處置等研究工作。

俄羅斯利用國際科學光學檢測網(wǎng)絡、天文研究所和國內(nèi)的“望遠鏡自動操作裝置移動天文系統(tǒng)”等開展近地天體搜尋監(jiān)測，在車里雅賓斯克事件后，加快新建1.6米口徑大視場巡天望遠鏡。日本、韓國等也都建有用于近地天體搜索和物理特性研究的地面望遠鏡。

天基監(jiān)測是重要方向

地基光學望遠鏡具有口徑大、觀測距離遠、建設和運行成本低、壽命長等優(yōu)點，是目前小行星監(jiān)測的骨干設備，但存在一些難以克服的固有缺陷，無法實現(xiàn)全天域、全天時監(jiān)測預警。

一是存在太陽側的觀測盲區(qū)。白天受強烈光照影響，小行星的身影被掩蓋，從太陽側飛來的小行星無法觀測，但當這些小行星臨近地球時，亮度會迅速增加，可能很快飛向深空，也可能立刻撞擊地球。2013年車里雅賓斯克事件中，小行星撞擊前沒有任何預警。2019OK小行星提前1天被觀測到，那時它與地球的距離已經(jīng)非常接近，極有可能被引力捕獲撞擊地球，造成嚴重損失。

二是有效觀測時間短，容易受干擾。地面光學望遠鏡只能在夜間工作，容易受大氣、月光散射、人類近地軌道空間活動等因素干擾，受地球自轉影響，地面觀測弧段不連續(xù)，無法對目標開展長時間的持續(xù)跟蹤。此外，受地球海陸分布等影響，地基望遠鏡觀測網(wǎng)絡分布不均，南半球建設很少，很難發(fā)現(xiàn)從這個方向飛來的小行星。

三是觀測手段受限。紅外波段具有對暗弱天體觀測能力更強、獲得小行星光譜信息更豐富等優(yōu)勢，與光學觀測相結合，可以獲得小行星的反照率和尺寸，但受地球大氣阻隔影響，地面難以對小行星開展紅外波段觀測。

相比之下，天基平臺具有全天候工作、覆蓋天區(qū)大、觀測波段寬、軌道預測準確等優(yōu)勢，可以有效彌補地基監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷，成為當前重點發(fā)展方向。天基平臺通常部署于太陽同步軌道、類金星軌道和拉格朗日軌道等。

目前專用于小行星監(jiān)測的天基平臺較少，只有加拿大的近地目標監(jiān)視衛(wèi)星，沒有形成監(jiān)測網(wǎng)絡。但各國使用空間望遠鏡開展小行星觀測活動，起到很好的補充作用，如美國的廣域紅外探測器、歐空局的“蓋亞”探測器、日本的“光”衛(wèi)星等。

美國的廣域紅外探測器

“光”衛(wèi)星在2006年發(fā)射，是日本聯(lián)合歐洲和韓國研制的紅外譜段天基觀測衛(wèi)星，運行在太陽同步軌道，對全天域開展近紅外、中波和遠波紅外3種譜段觀測。在軌5年多時間里，衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了超過50萬顆太陽系小行星。

美國在2009年發(fā)射廣域紅外探測器，搭載0.5米口徑望遠鏡，工作在紅外波段，運行于500千米太陽同步軌道。探測器在2009～2011年發(fā)現(xiàn)數(shù)百顆近地小行星和彗星。2013年開始拓展任務，新發(fā)現(xiàn)34000顆小行星，包括135顆近地小行星。該探測器運行至今，是現(xiàn)階段國際上主要的小行星天基觀測平臺之一。

“蓋亞”探測器在2013年發(fā)射，任務是對銀河系恒星的位置、距離和運動情況進行高精度觀測，運行于日地L2點，對接近地球的近地小行星有更好的相位角關系，對監(jiān)測網(wǎng)絡起到重要補充。

歐空局的“蓋亞”探測器

加拿大在2013年發(fā)射近地目標監(jiān)視衛(wèi)星，是國際上第一顆專用于搜尋、監(jiān)測近地小行星的衛(wèi)星，主載荷是一個15厘米口徑的反射式望遠鏡，工作在800千米近地軌道，目前已停止運行。德國的AsteroidFinder衛(wèi)星主要任務也是探測小行星。

目前，美國正在開發(fā)新一代天基紅外望遠鏡NEOCam，將配合其他探測器一起完成探明90%以上直徑大于140米小行星的目標。NEOCam搭載一套紅外譜段望遠鏡和一套熱紅外譜段的寬視場相機，計劃2028年發(fā)射，部署于日地L1點。在任務周期里，2/3的潛在高風險近地小行星將從望遠鏡觀測范圍經(jīng)過，可以精確測定小行星的尺寸。

美國正在開發(fā)新一代天基紅外望遠鏡 NEOCam

國際合作應對挑戰(zhàn)

近地小行星數(shù)量多，搜索發(fā)現(xiàn)和跟蹤監(jiān)測任務重、難度大，需要全球聯(lián)合以提高觀測效率和時效性。小行星撞擊威脅與全人類息息相關，廣泛開展國際合作，聯(lián)手應對風險，是各國的必然選擇。

1994年7月,蘇梅克-列維9號彗星撞擊木星，人類首次直接觀測到大規(guī)模天體相撞。聯(lián)合國在次年召開“預防近地天體撞擊地球”國際研討會，明確提出近地小行星對地球的潛在威脅，提議加強監(jiān)測跟蹤能力。

蘇梅克 - 列維9號彗星撞擊木星想像圖

2014年，聯(lián)合國和平利用外層空間委員會成立國際小行星預警網(wǎng)和空間飛行任務規(guī)劃咨詢小組，前者負責近地小行星的發(fā)現(xiàn)、跟蹤、編目、特征分析等工作，不定期組織開展國際聯(lián)測活動，在提高對近地天體編目及預警精度的同時，提升國際聯(lián)測的協(xié)調(diào)應對能力。后者負責促進近地小行星防御相關的技術研究。

經(jīng)過多年發(fā)展，各國對小行星撞擊風險關注度不斷提高，合作范圍不斷擴大，監(jiān)測預警網(wǎng)絡逐漸完善。

目前，美國構建了地基為主、天基補充的近地小行星監(jiān)測網(wǎng)絡，結構最為完整，以11臺專用地面光學望遠鏡和其他兼用的地基、天基平臺，每年新發(fā)現(xiàn)大量近地小行星，制作發(fā)布數(shù)據(jù)庫，提供了98%的國際共享小行星編目數(shù)據(jù)，發(fā)揮關鍵引領作用。歐空局在2013年成立行星防御辦公室，組織開展近地小行星監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、在軌處置等技術研究。俄羅斯2002年成立行星防御中心，現(xiàn)有9臺專用望遠鏡，為小行星監(jiān)測預警貢獻重要力量。

我國在2018年2月正式加入國際小行星預警網(wǎng)和空間飛行任務規(guī)劃咨詢小組。以紫金山天文臺的1.04米口徑望遠鏡作為主干設備，系統(tǒng)開展小行星及彗星觀測研究。紫金山天文臺已成為國際小行星聯(lián)測網(wǎng)中有影響的臺站之一，對超過1300個近地小行星進行了觀測，新發(fā)現(xiàn)30多顆近地小行星。麗江、興隆等觀測站等多個臺站具備小行星觀測能力，為未來組建近地小行星監(jiān)測預警網(wǎng)絡奠定基礎。

紫金山天文臺近地天體探測望遠鏡

隨著各國持續(xù)新建觀測設備，開展巡天觀測，近地小行星監(jiān)測預警網(wǎng)絡從地基望遠鏡為主轉向地基、天基平臺協(xié)同。望遠鏡口徑不斷增大，視場繼續(xù)拓寬，觀測波段從可見光向紅外、從單一波段向多波段集成轉變，逐漸形成天地一體化和全天域、全天時的監(jiān)測預警能力。

各國不斷發(fā)現(xiàn)新的近地小行星，截至2022年底，總數(shù)已經(jīng)達到31014顆，其中直徑大于140米的超過1萬顆，直徑大于1千米的近千顆，潛在危險小行星超過2000顆。

人類對于大量短期內(nèi)無法編目、可能突然接近的近地小行星也有了一定的臨時預報能力，成功預警撞擊的案例不斷增加。2008年，天文學家使用卡特琳娜巡天系統(tǒng)，提前19小時發(fā)現(xiàn)小行星2008TC3將撞擊地球并發(fā)出預報，實現(xiàn)首次準確預報小行星撞擊事件。目前人類已成功預報7次，預警時間在2小時到19小時不等。

一個巨大的小行星或彗星撞擊地球

小行星監(jiān)測任重道遠

過去十幾年，人類在近地小行星監(jiān)測預警及防御應對方面取得重大進展，但仍有許多危險性較大的小行星未被觀測到。根據(jù)太陽系小天體形成和演化模型，等效直徑在10～140米的近地小行星，總數(shù)在1×105數(shù)量級。目前已觀測到的部分，等效直徑千米級的編目完成率超過95%，但140米級編目完成率僅約40%，50米級編目完成率約3%，20米級不足1%，還有大量具有潛在撞擊威脅的小行星隱藏在黑暗廣袤的宇宙空間。

這些未發(fā)現(xiàn)的小行星運動軌跡復雜，受大行星引力、空間環(huán)境等影響，飛行軌道變化多端，長期軌道預測非常困難。人類對小行星的測量精度和預測模型還無法精準預測千年、萬年之后的撞擊風險，必須持續(xù)發(fā)展監(jiān)測預警能力。

從歷史情況看，等效直徑10米以下的小行星撞擊雖然時常發(fā)生，但危害較小，等效直徑20～140米是需要重點關注的量級，能造成城鎮(zhèn)級、大城市級乃至洲際級的危害，同時數(shù)量很多，撞擊概率無法忽略，近地小行星監(jiān)測預警任重而道遠。

在現(xiàn)有地基為主、天基為輔的監(jiān)測體系下，人類已觀測到絕大多數(shù)直徑超過1千米的近地小行星。今年，美國大型綜合巡天望遠鏡將正式運行，根據(jù)模擬計算結果，有望在12年內(nèi)完成90%直徑140米以上近地小行星的編目。但對140米直徑以下的目標，地基望遠鏡無法在合理期限內(nèi)完成系統(tǒng)性探測，需要布設天基監(jiān)測網(wǎng)絡，逐漸形成以地基望遠鏡組網(wǎng)巡天長期觀測為主、天基望遠鏡針對性巡天為輔的一體化監(jiān)測預警能力。

2022年，我國宣布將建設小行星防御系統(tǒng)，為人類應對地外天體威脅作貢獻。小行星監(jiān)測預警方面，“墨子”大視場巡天望遠鏡于2023年在青海冷湖建成。青海冷湖具有優(yōu)良的天文光學觀測條件，晴夜多，光污染小，視寧度良好，被譽為歐亞大陸最好的光學天文臺址?！澳印敝麋R口徑約為2.5米，配備7.65億像素大靶面主焦相機。

正在建設中的青海省海西州冷湖鎮(zhèn)賽什騰山天文臺址和大視場巡天望遠鏡圓頂

與此同時，“中國復眼”二期項目正在重慶云陽縣中洲島開工建設，計劃于2025年建成25部30米孔徑雷達?！爸袊鴱脱邸笔俏覈讉€大規(guī)模分布孔徑深空探測雷達，完全建成后，探測距離可達1.5億千米，實現(xiàn)上億千米外小行星和類地行星觀察，拓展人類深空觀察的邊界，為我國近地小行星撞擊防御和行星科學研究提供重要支撐。

正在建設中的“中國復眼”

我國從構建人類命運共同體的理念出發(fā)，與國際社會一道積極應對近地小行星撞擊風險，深度參與，主動作為，為和平利用空間、保護人類安全、增進人類福祉貢獻中國力量。隨著科學技術不斷發(fā)展、世界各國攜手應對，人類終將能夠克服危險，有力保護自身安全。