逼近地球的危险小行星

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2012年2月22日的晚上，西班牙Mallorca 天文台(OAM)的观测人员正在执行他们的La Sagra 巡天计划，这个计划的目标是搜索那些可能会接近地球的小行星——这些小行星很小，只有在靠近地球时才会被发现。一般说来最容易发现小行星的地方是黄道面——这是地球围绕太阳旋转的平面，大部分太阳系天体也都分布在这一平面上，特别是在背向太阳的方向上，小行星反射的太阳光使之更容易被发现。但是，如果只观测背向太阳的方向，就很难发现那些轨道的全部或大部分都在地球轨道以内的小行星。象水星和金星一样，这种小行星在天空中的位置不会偏离太阳很远，因此只有在太阳刚刚落下的西方天空或者日出之前的东方天空才有可能被看到。和一些其它类似的巡天计划相比，OAM的设备不算先进，因此为了取得成果，他们尽可能寻找那些可能被其它巡天遗漏的地方。这一天，他们决定在早晨日出之前观测东方天空，并观测黄道面以外的方向。这一策略给他们带来了回报。他们的计算机程序在检查拍摄的图像时发现了一个相对于恒星正在快速移动的目标，22MB316， 在用另一台望远镜观测证实后，他们将这一发现告知了设在哈佛大学史密松天文台的国际小行星中心，这个目标获得了它的小行星临时编号：2012DA14。

【2012年2月22日OAM观测到的22MB316图像, 后来这一目标获得小行星临时编号2012DA14 （取自http://www.oam.es/Asteroid_2012DA14.htm）】

这是一颗当时刚刚飞过地球附近正在远去的小行星，2012年最接近时距地球大约260万公里。它的直径约为45米。根据轨道推算，其公转周期为366.25天，轨道倾角（轨道面相对于黄道面的角度）10.33度，因此一年之后它还会再回来的。实际上，根据最新的观测，2013年它不会撞击地球，但将于北京时间2月16日03：25从地球附近掠过，距离地球表面的最小距离只有2万7千公里，这已经在地球同步卫星的轨道（距地面3万6千公里）以下了。这将是迄今为止人们已知的天体最靠近而没有落入地球的一次。2004年3月31日，2004FU162 在距离地球只有6500公里处掠过，不过2004FU162 只有6米大小，而且它也是在掠过地球之前几个小时才被发现的，与2012DA14提前一年被发现不可同日而语。

2012DA14的迫近，提醒我们再次考虑小行星撞击地球的危险。如果2012DA14撞击地球，它可能会造成危险吗？作为一个例子，我们可以考虑一下著名的通古斯事件：1908年6月30日的早上，一个亮如太阳的火球划过西伯利亚的天空，最后在通古斯的上空爆炸了，60公里外的人都被冲击波击倒并能感到一阵热浪，大片的树林被碳化了，800公里外的酒瓶因此而抖动，据估计，其爆炸当量相当于一千二百万吨TNT。之后在欧亚大陆的很多地方都能看到色彩异常鲜艳的日落。不过，通古斯当地人烟稀少，因此可能没有造成什么人员伤亡。对于通古斯事件的原因，人们有一些不同的猜测。尽管这一事件中爆炸威力相当大，但人们并未在当地找到陨石。因此，1930年英国天文学家Whipple猜想，这是一颗彗星的核进入大气层，彗星主要成份是冰，因此爆炸后不会留下陨石。考虑到彗星击中地球的概率很低，人们现在倾向于认为这是一颗大约80米大小的小行星，当它进入地球大气层时，与地球大气的摩擦使它迅速变热，其内部释放出大量气体导致压强增大，最后在空中发生爆炸，完全炸成了粉末，因而没有留下陨石。如果这样的爆炸在人口密集的地区特别是城市上空发生的话，将会造成相当的破坏。

如果小行星能够穿透大气层而到达地面，造成的危险更大。下图所示的是位于美国亚利桑那州的著名陨石坑，直径达1.2km。根据著名地质学家和天文学家舒梅克(Shoemaker)的考证，这是大约5万年前一颗直径约30米的铁陨石撞击形成的。

【美国亚利桑那洲的Barringer 陨石坑，直径1.2km。D.J. Roddy 摄影，取自B.M.French: Traces of Catastrophe】

如果小行星更大一些，它甚至可能造成全球性的灾难。80年代，地质学家Walter Alvarez 和他父亲物理学家Luis Alvarez 在研究白垩纪和第三纪地层边界(KT边界)时发现，这一边界地层所包含的铱元素多得异常。由于铱的密度高且与铁亲和，地球上的铱大部分在地球刚刚形成时沉入地核，在地壳中铱是一种非常稀有的元素。在小行星中，铱的丰度高得多，因此他们推断，可能是一颗小行星在6500万年前撞击地球，造成了恐龙的灭绝。他们的这一理论提出后，最初遭到多数古生物学家的反对，有的古生物学家认为，可能是火山爆发导致了恐龙的灭绝（在印度发现的一个古火山遗址爆发时间大致相当）。但是，对KT边界中一些同位素丰度的进一步研究支持了小行星撞击理论而不是火山喷发理论。90年代初，人们又在墨西哥的尤卡丹半岛附近的海底发现了Chilcxulub陨击坑，这正是6500万年前一次撞击形成的。当时，墨西哥湾形成了高达一公里的海啸，而撞击点的碎片则被抛到非常远的地方，在全球范围引发了森林火灾。大量的粉尘遮天蔽日，挡住了阳光，造成地球温度骤降，最终导致了恐龙的灭绝。Chilcxulub陨击坑被发现后，大部分学者接受了小行星撞击地球导致恐龙灭绝的理论，其中包括许多原来表示激烈反对的人。

但是，小行星撞击地球的事件到底有多频繁呢？自60年代以来，美国军方为探测导弹和核爆炸而发射的卫星以及大气声波探测器阵列探测到了许多比通古斯事件能量低一些的事件，其释放的能量相当于小型核弹。例如，1963年8月3日，一个大约25米大小的小行星在非洲和南极洲之间进入大气层，释放的能量相当于一百万吨TNT。1994年2月1日，一个小行星在南太平洋上空爆炸，释放的能量约11万吨TNT当量。2002年6月6日，一个小行星在利比亚与克里特岛之间地中海东部上空爆炸，释放能量为26万TNT当量。

根据美国1992年解密的国防支持项目(DSP)卫星资料，1975年到1992年的17年间，DSP卫星观测到了136次小行星在地球大气中爆炸的事件，其能量在500吨到1.5万吨之间，平均每年8次。此外，根据美国空军在1960－1974年间运行的全球大气声波探测器阵列以及劳斯阿拉莫斯实验室在美国西部安装的一个声波探测阵列1983－1996年的数据，劳斯阿拉莫斯实验室的研究人员推断平均每年都有一个1.5万吨当量的小行星进入地球事件。这与舒梅克根据观测到的近地小行星数量推算的撞击频率一致。据估计，大约每两、三千年可能有一次通古斯类型的陨击，每50万年左右，会有一次一千米直径的小行星撞击地球。考虑到天体撞击地球可能造成的危害，有必要对这一风险进行防范。

有可能撞击地球的天体包括彗星和小行星。彗星来自太阳系外围，它们的出现难以预测，不过它们的数量并不太多，在太阳系内圈飞行的时间也很短，因此刚好击中地球的可能性很小。小行星是一些在太阳系内公转的天体，总共的数量可能超过一百万个，其中比较大的直径可达几百公里，而小的则不过几米。大部分小行星轨道位于火星和木星的轨道之间，远在地球公转轨道之外，因此它们并没有撞击地球的危险。但是，也有少数小行星，其椭圆轨道具有较大的偏心率，因此其轨道与地球轨道相交叉，这类小行星被称为阿波罗(Apollo)型小行星，因为第一个被发现的这种小行星是1932HA，命名为阿波罗。还有少数小行星其轨道大部分在地球轨道以内，但远日点在地球轨道以外，称为阿登(Aten)型小行星，以第一颗被发现的这种小行星2062 Aten（1976AA）命名。这些小行星的轨道与地球轨道交叉，因此有可能撞击地球——当然，实际上它们到达轨道交叉点时，地球未必会同时到达，因此不一定会发生撞击。但是，它们会周期性地接近地球，因此迟早可能发生撞击。此外，还有阿莫尔型(Amor)的小行星，目前其轨道都在地球轨道之外，但其近日点比较接近地球轨道，因此有时也会接近地球。尽管其现有轨道不会与地球相撞，但受木星、火星、地球或其它小行星引力扰动后，也有可能改变轨道，从而构成威胁。

80年代，一些天文学家以及美国一些从事国防研究的科学家提出监测可能威胁地球的小行星并做好摧毁它们的准备。但是，由于适逢冷战结束，当时公众舆论普遍认为，小行星撞击地球是极不可能发生的事情（当时DSP卫星等军事探测系统所记录的小行星撞击事件尚未公布），而防御小行星撞击地球不过是军事工业集团为自己继续争取政府拨款而寻找的借口罢了。1992年，舒梅克和列维发现的彗星撞击木星事件，在世人面前活生生地演示了天体撞击的例子，说明这并非是遥不可及的，此后人们的态度开始改变。1998年，美国国会的一个法案要求到2008年，发现90％以上直径大于1千米的近地小行星。在通俗文化中，小行星撞击的概念也开始流行，好莱坞拍摄了一系列以小行星撞击地球为背景的科幻电影，如Armageddon, Deep Impact, Seeking a friend for the end of the world 等。

此后全世界的天文学家们开展了一系列观测计划，以便发现所有这些可能接近地球的小行星，如Lincoln Near-Earth Asteroid Research (LINEAR)计划,空间监视（Spacewatch）计划, Near-Earth Asteroid Tracking (NEAT)计划, Lowell Observatory Near-Earth-Object Search (LONEOS)计划, Catalina Sky Survey, Campo Imperatore Near-Earth Objects Survey (CINEOS)等，也包括这次发现2012DA14的OAM天文台La Sagra 计划。我国的国家天文台（原北京天文台）和紫金山天文台等单位也发现了一些近地小行星。此外，还有一些更大型的多用途计划，如美国拟在夏威夷建造的由4台1.8米望远镜构成的Pan-Starrs 巡天计划，拟在智利建造的8米口径大视场的巡天望远镜LSST等，这些未来建成的望远镜将以极快的速度巡天，从而找出几乎所有的近地天体。

现在这些计划已发现了大量的近地天体，根据维基百科，截至2013年1月已找到了9534个近地天体，其中包括93个彗星，5118个阿波罗型小行星，3562个阿莫尔型小行星，742个阿登型小行星。其中，1360个被列为潜在危险天体（potentially hazardous asteroids）——这些天体的定义是它们离地球的最小距离小于750万公里，同时大小大于100米（按这个定义，2012DA14不属于潜在危险天体，因为它的大小不足100米）。由于对很多小行星往往并不准确地知道其大小，因此实际上往往用亮度标准代替大小标准：要求其绝对星等亮于（小于）22等。由于小行星轨道测量存在误差，我们并不能完全准确地知道它未来的轨道。我们可以根据现有数据，选取它最接近地球时的轨道最佳拟合点，按误差的大小画出其椭圆。如果地球包括在误差椭圆内，就存有一定的相撞风险，并被列入危险清单。当然，随着更精确地观测，误差椭圆会缩小，这时如果地球在缩小的误差椭圆之外，该天体就会被移出清单。

为了便于媒体和公众在发现新的近地小行星时了解其撞击危险性，现在还建立了都灵风险标度(Torino Scale)， 如下图所示，横坐标为碰撞概率的对数，纵坐标为碰撞能量对数（与小行星尺寸立方成正比）。0级（白色）表示几乎没有危险；1级（绿色）表示属于正常发现，危险很小；2－4级（黄色）表示有接近地球的可能，应引起天文学家注意和研究；5－7级（橙色）表示有危险，政府应做出相应计划；8－10级（红色）表示肯定将发生碰撞，其中10级表示可能危险整个人类的生存。迄今为止，还没有过4级以上的警报，一些警报发出后随着更精确地观测，警报级别下降而重新回归到0级或1级。

【都灵风险标度】

【图片出处：http://cdn.toonvectors.com/】

在本文的上篇中，我们介绍了小行星撞击地球的可能性和发现近地小行星的计划。但假如预先知道某个小行星将要撞击地球，我们是否有办法拯救地球、避免这一灾难呢？对这一问题的第一次详细研究发生在1967年。这一年的春季学期，麻省理工学院的Paul Sandorff教授开设的选修课程16.74 高级空间系统工程(Advanced Space System Engineering) 贴出了一张特别的选修课程说明。该说明指出，1968年6月，质量40亿吨的小行星1566伊卡鲁斯(Icarus)将接近地球，最近时距离只有6百万公里。本课程假定伊卡鲁斯将与地球相撞，参与这一计划的队员们将尽一切努力，设计出详细的方案，用一切可能的资金和人力，防止这一灾难的发生。

21名研究生和高年级本科生注册参加了这一课程，他们被分为7个小组，分别研究有关的轨道和弹道、核载荷、推进与助推器、航天器、导航和控制、通信、经济与管理等问题。小组间相互协调沟通，要用这个学期的时间设计出一套应对这一危机的详细方案。课程假定伊卡鲁斯将于1968年6月19日19：26 撞击大西洋，他们只有70个星期做出反应了。

学生们考虑了几种可能，比如在小行星上面安装核弹将它炸碎，安装火箭以改变它的轨道，在它附近爆炸核弹等。如果要改变它的轨道，最好是在它到达公转轨道远日点时，这时较小的速度改变就足以产生较大的影响。不过，根据课程给出的条件这是来不及了：要赶上1967年11月伊卡鲁斯抵达远日点时影响它，在课程开始后几星期内就得发射火箭，而任何研发都需要一些时间，无法在瞬间完成。炸毁伊卡鲁斯也不可能，当时人们并不确切地了解伊卡鲁斯的质量和组分，但如果假定它是石质的，完全摧毁它需要10亿吨TNT当量的核弹，而这样的核弹如何设计人们甚至从理论上都没有研究过，况且也没有火箭能发射如此巨大的核弹。用一系列小核弹去炸的话，有可能无法摧毁小行星而使它分成几块同时飞向地球而更难对付。因此，唯一可选的方案是用核弹在伊卡鲁斯附近爆炸使它轨道改变。

这一方案的原理是，在太空环境中爆炸的核弹其能量主要以X-射线形式释放，这些X-射线将加热小行星的表面使其气化，随着这些气体和碎片飞离小行星，其反作用力将使小行星获得相反方向的冲量。显然，在越远的地方进行这种爆炸，就越容易使它偏离撞击地球的轨道。但另一方面，这种爆炸也有风险，它仍可能使小行星分裂，而其中一个或多个小块仍有可能撞击地球，由于撞击点分散在地球的不同区域，这甚至可能导致更大的灾难。

学生们最终选用的方案使用当时已经在研制中的推力最强的土星5号火箭运载1亿吨当量的核弹。如果发射多枚火箭并在地球轨道上交会对接，可以运载更大质量的载荷和实现更高速度，但这过于复杂，可能来不及实现，因此最终方案是用单枚火箭发射。通过增加投资和人力，可以加快土星5的生产，在1968年4月前生产出9枚火箭，其中3枚用于实验发射，6枚用于发射核弹。此外，还需要扩建一个发射架以满足频繁的发射需求。航天器使用当时为登月计划研制的阿波罗航天器，对于这一任务该航天器并不是最合适的，但是由于时间紧张，来不及设计和试验新的航天器，也只能将就了。该航天器的电源系统只能保证在60天内提供电力，因此这限制了火箭的飞行时间不超过60天。核弹的情况是保密的，学生们假定核弹重约4万磅（18吨），弹长140英寸（3.5米），直径36英寸（0.9米），核弹上将装有保险和自毁装置，以保证在发射失败或火箭故障的情况下不会发生核爆炸，并能根据无线电指令或自动条件（例如超过一定时间后）自毁。火箭采用雷达和光学制导飞向伊卡鲁斯，并在接近伊卡鲁斯时进行三次末端修正以保证精确命中目标。在撞击前5秒，打开核弹保险和无线电近炸引信，在距离小行星约30米处进行核爆。前4枚火箭将分别在1968年4月7日（撞击前73日）、4月22日（58日）、5月6日（44日）、5月17日（33日）发射。作为最后的努力，最后两枚火箭将在6月14日发射，这时伊卡鲁斯已太近了，使之偏离轨道已不太可能。

根据对火箭、航天器和制导系统可靠性以及对伊卡鲁斯性质的假定，学生们撰写的报告估计该方案使伊卡鲁斯轨道偏离地球的成功概率约70%。将伊卡鲁斯炸裂并成功拦截其碎片的概率约20%，总成功概率约90％。

【Icarus 计划采用的土星5号火箭(Peter Alway画)，转引自Dwayne A. Day，http://www.thespacereview.com/article/175/1】

不过，此后实际发生的事件证明这可能还是过于乐观了。MIT与美国当时的航天技术研发有密切的关系，比较了解当前的研究进展。在课程开始时，土星5号火箭、阿波罗航天器等的研发看上去都还顺利，因此他们假定这些在1967年都将按计划很快研制成功。然而此后不久在研发过程中土星5号火箭和阿波罗航天器都遇到了一些问题，甚至还发生了事故，直到1968年8月其技术问题才最终解决，1969年土星5号火箭发射阿波罗11号飞船实现了人类首次登月。

另外，学生们假定有一亿吨当量的核弹可用，但实际上美国当时可能并没有这么大当量的核弹。根据此前美国国防部长在国会作证时的发言推测，当时美国洲际弹道导弹装载的核弹所能实现的最大当量为3千5百万吨TNT，轰炸机装载的最大当量为5千万吨TNT。要在当时给出的有限时间内研制并试验1亿吨当量的核弹恐怕是来不及的，因此也许只能使用较小当量的核弹。苏联当时倒是有一亿吨当量的核弹，并曾于1961年在新地岛核实验场进行过试验（为了避免对周边地区的破坏，试验时有意将爆炸当量降低到5千万吨）。一种可能是与苏联人合作，但这个苏联核弹的大小和重量很可能都比学生们假定的大（根据维基百科，它重27吨，长8米，直径2.1米），而且在当时要让苏联人把这个属于国家最高秘密的核弹交给美国（因为苏联并没有可与土星5号媲美的火箭），政治上是否可行也很难预测。

无论如何，这一课程设计第一次详细分析了保卫地球免遭小行星撞击所需的技术和准备工作。从中人们认识到许多需要注意的问题。特别是，它说明了较早发现危险的重要性。地球和小行星都是沿着周期性的轨道运行，因此发现一颗潜在危险小行星后，可能轨道计算表明它撞击地球发生在多个轨道周期之后。如果能够提前几十年发现可能撞击地球的小行星，就能有充分的时间进行针对性的设计。特别是这时可以预先研究小行星的性质，以选定最好的方案，并为此研制专用的航天器，在距离地球最远处改变其轨道，而且这样也会留有足够的冗余时间，以观察第一方案是否成功。不成功再采取其它方案。

【2012年嫦娥2号卫星拍摄的4179号小行星，可较清晰地看到小行星不规则的形状。这是由于小行星的自身引力较弱，其组分可能只是比较松散地连接在一起】

除了使用核弹之外，人们也提出了一些不同的改变小行星轨道的方法。例如，用一个有一定质量和速度的航天器撞击小行星，其冲量也能改变小行星的轨道，而风险可能比发射核弹到太空低得多。另一方面，核弹或者航天器撞击虽然简单直接，但人们也有一些担心：小行星也许只是一些松散相连的碎石，有可能在核爆或撞击中破碎而轨道并不发生很大改变，这样一来出现的大量小行星碎块可能更难对付。因此，也有人提出了一些更复杂但比较柔和的轨道改变方案，比如使用安装到小行星上的火箭发动机、太阳帆，或者在它附近用聚焦太阳光、激光、等离子束等办法进行驱动。

2010年，清华大学航空航天学院的宝音贺西等研究者还提出，除了改变小行星轨道以防止其撞击地球外，对某些小行星还可以给它一个冲量将它俘获，从而使之成为地球的卫星 (He-Xi Baoyin et al., Research in Astronomy and Astrophysics,10, 587(2010) ）。这样俘获的小行星至少可以用于科研，甚至也有可能提取上面的金属材料（据说，2012DA14价值1950亿美元）。

总之，小行星撞击地球并不是天方夜谭，而是可能实际发生的事情。较大质量的小行星撞击可能会造成相当规模的人员伤亡和财产损失，甚至有可能毁灭人类文明。但是，以人类现有的技术，只要给予足够的重视，也完全可以做出预警，并采取措施防止小行星撞击地球的灾难发生。

我在撰写本文时多处参考了Curtis Peebles 所著 Asteroids: A History 一书，特此致谢。