美國耗資3億美元撞擊小行星,是為拯救人類還是一場科技秀?

2022年09月28日01:56:23 科學 1695

人類出現之前,恐龍曾經統治地球達幾億年之久。但在大約6600萬年前,一顆直徑約10公里的小行星以每秒20公里的速度落在墨西哥灣,劇烈的撞擊力瞬間製造了一個直徑100公里、深約30公里的巨坑,有多達25萬億噸的岩石被拋向太空。這些岩石在落回地面的過程中在大氣層里摩擦、燃燒,變成一個個火球,點燃了全世界的森林,地球被塵埃包裹,陽光照不進來,溫度驟降。75%的動植物因此滅絕,恐龍們凍餓而死,只剩下極少數變成了今天的鳥和雞。

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小行星撞擊地球使恐龍滅絕

我們的太陽系不只有8大行星和它們的衛星,在浩瀚的太空中還有數以億計大大小小的石塊和「碎石堆」,天文學字把它們稱為「小行星」。

與地球一樣,小行星們也繞著太陽運行,偶爾它們會受行星引力的擾動改變自己的軌道,還有一些會與地球軌道發生交會,甚至變成流星砸到地面上來。

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地球周圍有許多小行星

地球大氣層很稠密,大多數流星會在與空氣摩擦的過程中發熱、劇烈燃燒,最後化為灰燼。但當流星比較大,比如說直徑達到20米,或者由不易崩解的鐵質構成,它就會對地面造成非常大的破壞。

到目前為止,科學家們已經發現超過29000個有潛在威脅的近地天體,它們的直徑都超過140米,其中878顆直徑大於1公里。這些天體都受到嚴密監控,因為它們一旦掉下來就有可能對一座城市、一個國家甚至地球上的大多數生物造成滅頂之災。

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近地天體時刻威脅我們的生存

與恐龍不同,人類不會坐以待斃。科學家不僅能觀察到小行星,還能準確計算這些不速之客的運行軌道、它們接近地球的時間,判斷其撞擊地球的可能性。

當我們意識到某一顆小行星未來可能對地球造成巨大破壞時,就會想辦法摧毀它,或者讓它偏轉軌道。這被稱為「行星防禦計劃」。

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我們也有「行星防禦計劃」

對於「拯救地球」的方法,科學界一直都存在爭議。有人建議向小行星發射導彈,用核彈頭將其炸碎,即便炸不碎也能改變其飛行軌道;有人認為可以給小行星裝上發動機,通過持久的推力把它推開;還有人說炸和推都不能解決問題,還是撞擊最省事。

到底用什麼辦法最好呢?

一些近地天體看起來直徑達幾百米,其實它們是由許多大小石塊和粉塵聚積而成的「碎石堆」。它內部的壓力不足以令其密實,放射性元素衰變產生的熱能又散失得很快,不能像行星那樣熔融成一個整體。如果我們在它的表面引爆核彈,爆炸的大部分能量會被碎石堆吸收、削弱,然後在萬有引力的作用下,那些散開的石塊又會重新聚到一起,變身為一顆帶有核輻射的小行星。

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核彈摧毀小行星不靠譜

給小行星裝上火箭噴氣發動機,像「流浪地球」那樣將其推走,這個主意聽起來不錯。然而大部分小天體在運行的同時還存在自旋,它的形狀不規則,表面起伏不平,很難保證火箭發動機始終朝我們想要的方向噴氣,所以通過「慢慢推」的辦法把天體推離地球軌道,實施起來難度非常大。

1996年,美國天文學家觀察到一顆直徑達0.8公里的近地天體(65803),2003年,捷克科學院的天文台發現65803其實還有一顆「衛星」,由於這顆衛星平均直徑達到170米,因此科學家將這個雙星系統命名為「迪迪莫斯」Didymos,希臘語是「雙胞胎」,「弟弟」被稱為「迪莫夫斯」Dimorphos。

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「飛鏢」撞擊小行星「雙胞胎」

「雙胞胎弟弟」圍繞著「哥哥」旋轉,它的公轉周期約為11小時55分鐘,於是美國宇航局NASA的科學家就想發射一個航天器去撞擊它,通過觀察「迪莫夫斯」公轉周期的變化情況,來判斷撞擊的效果,但撞擊幾乎不會對「雙胞胎哥哥」造成影響。

NASA的航天器名為「雙小行星重定向測試」(英文縮寫DART,「飛鏢」),總投資3.13億美元。實際上「飛鏢」的主要部分就是一個610公斤重的撞擊器,撞擊器上除了導航系統、通信系統、推進系統和一個照相機外沒有其它科學設備。科學家通過計算後認為「飛鏢」如果順著「迪莫夫斯」的公轉方向碰撞,可以使其公轉周期加快10分鐘,反之則變慢10分鐘。

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與小行星相比,DART微不足道

「迪莫夫斯」質量約50億千克,它跟一座體育場差不多大;「飛鏢」撞擊器在碰撞前的質量僅500千克,1.8米見方,用它來撞擊小行星很有點蚍蜉撼大樹的感覺。

然而只要撞擊器飛行速度夠快,它的動能就會很高,當這個動能傳遞給小行星時,還是可以稍稍改變小行星的飛行速度。NASA其實不需要花錢,僅通過計算就能能知道碰撞會產生什麼結果。

明知道結果的事情,明知道撞擊不會改變小行星「65803」的飛行軌跡,為什麼還要耗費巨資去做呢?

因為軌道計算的結果是科學,瞄準目標實施碰撞是技術,科學與技術相結合才是生產力,才是一國科技實力的體現。

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「飛鏢」準確命中目標

「飛鏢」從發射到撞擊總共花了10個月的時間,撞擊地點距離地球約1100萬公里,實際上航天器飛行的距離遠超於此。在「飛鏢」從發射到飛行的整個過程中都伴隨著精確遙測技術、軌道計算和飛行控制,但凡任何一個環節出現微小疏失,「飛鏢」都不可能命中目標。

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「飛鏢」(粉色)與小行星(綠色)飛行軌跡

考慮到遠距離信號傳輸延時,「飛鏢」在飛行的最後4個小時里需要完全自主飛行。又因為軌道控制發動機啟動會使長長的太陽翼振動,進而導致攝像畫面模糊,因此碰撞前幾分鐘不能打開發動機做軌道修正,機會只有一次,航天器需要瞄得非常准才能正中靶心。

那麼NASA的「飛鏢」撞擊技術真的能夠在未來拯救人類嗎?

理論上講,只要我們對近地天體發現得足夠早,哪怕是對目標的速度或飛行角度有絲毫改變,都足以影響到它的運動軌跡,使之最終與地球擦身而過。從這個角度看,人類的任何一次嘗試都具有重大意義,是值得肯定的。


參考資料及圖片來源:

SPACE.com:「nasa dart asteroid impact planetary defense success」

維基百科:奇克蘇魯伯隕石坑,近地天體,(65803) Didymos,Dimorphos,Double Asteroid Redirection Test

#美國宇宙飛船成功撞擊小行星#

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