導言 |
在面臨小行星和彗星撞擊危險時，我們都生活在同一個星球，共享的是同一種命運。
李明濤 · 中國科學院國家空間科學中心研究員
格致校園第27期 | 2022年7月15日 北京
大家下午好！我是李明濤，來自中國科學院國家空間科學中心。我是一名地球「守門人」，工作是保衛地球免遭小行星和彗星的撞擊威脅。今天和大家分享的主題是《調皮的小行星》。
這是2022年7月10日，有一顆小行星進入了大氣層，飛到了我國甘肅地區上空解體爆炸，最後落到地面上，形成了比較小的隕石坑。幸運的是，這是一個小尺寸的小行星，所以沒有在地球上形成任何危害。
小行星：太陽系的時光膠囊
小行星是什麼？小行星是太陽系大家庭中的小不點。太陽是太陽系大家庭中的大家長，它的光和熱提供了源源不斷的能量。水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，這些大行星是太陽系大家庭中的哥哥姐姐。它們的個頭比較大，各自運行在自己的獨立的、穩定的軌道上。
除此之外，太陽系中還有浩如煙海、不計其數的小不點們。雖然個頭很小，也沒有獨自的、穩定運行的軌道，但是它們的身份非常特殊，蘊藏著巨大的寶藏和資源財富。它們也很調皮，有時候不太守規矩，甚至會撞擊地球，導致飛來橫禍。可是如果沒有它們，可能我們今天也不會坐在這裡——因為地球上的生命起源與它們密切相關。
小行星和彗星是環繞太陽運行、體積和質量比大行星小得多的天體。彗星一般是由水冰、塵埃、甲烷、氨等揮發性氣體組成的，在靠近太陽的時候會形成一條明亮的彗尾，民間也將彗星稱為掃帚星。小行星是由金屬和岩石構成，它具有固態的行星表面。
大家知道小行星長什麼樣子嗎？我聽到了很多不同的聲音：花生、雪人、松鼠。更奇怪的，有的小行星像天狗啃過的骨頭。還有的小行星有小夥伴，它們會帶著它們的小夥伴在太陽系中紅塵作伴、瀟灑遨遊。
小行星具有很高的科研價值，被稱為太陽系的時光膠囊，因為它還保存著太陽系形成之初最原始的物質成分。小行星、太陽、八大行星都是共同起源於最初的太陽星雲，但是地球形成之後經歷了火山、地震、雲雨等滄海桑田般的改造。
在今天的地球表面上，已經找不到地球形成之初的、最原始的物質。但是在小行星上，沒有大氣、地震、火山爆發等等因素，所以它可以帶我們回到46億年前，讓我們了解到太陽系形成之初的秘密。
地球上的生命起源可能與小行星也存在著不解之緣。左邊這幅圖是地球剛誕生的時候經歷的一個階段，就是岩漿洋狀態。表面上到處都翻滾著滾燙的岩漿，簡直是人間地獄。在這種環境下，不可能有水分、胺基酸、蛋白質的存在，而這些是生命起源所必需的物質。有科學家推斷：正是小行星和彗星撞擊地球帶來這些物質，為地球上生命早期的萌芽提供了物質基礎。
1969年在澳大利亞默奇森市降落了一塊隕石，科學家在這塊隕石上發現了幾十種胺基酸。無獨有偶，今年6月份，日本科學家在龍宮小行星的樣品上也發現了20多種胺基酸。所以，有可能正是小行星和彗星撞擊地球帶來的這些物質，造就了今天勃勃生機的藍色星球。
小行星上還蘊藏著豐富的寶藏，比如碳質小行星上面富含水分，可以作為未來星際航行的加油站。岩石類小行星和金屬類小行星上面富含鐵、鎳、矽等工業原材料，將來可以作為我們在太空中開展太空製造的工廠和原材料基地。特別是金屬小行星更是一個大寶貝，它上面除鐵和鎳，同時還有很多稀有的貴金屬，比如鉑、金。而這些金屬是新能源科技、高科技研發中必須用到的。
美國航天局（NASA）將於明年繞飛探測一顆小行星，這個小行星叫靈神星，它上面96%的成分都是鐵和鎳，當然也有鉑、金和一些稀有金屬。根據估計，它上面金屬資源的價值，比全球所有人干一年所創造的財富總量還要多得多。
隨著地球的資源日漸枯竭，向太空追尋資源將是未來的發展趨勢。目前全球已經成立了幾十家太空採礦公司。我們的征途是星辰大海，但是星辰大海不會一直風平浪靜，要實現太空採礦還必須攻克很多技術和挑戰，這些技術和挑戰有待新一代去攻克。
小行星在哪裡？小行星是非常廣泛地分布在太陽系中，最著名的地方就是火星和木星之間的小行星帶。另外，在海王星之外的軌道上有一個柯伊伯帶，在遙遠的太陽系邊緣還有奧爾特雲。但在今天講的主題，我們感興趣的對象就是主帶小行星和近地小行星。
主帶小行星大部分時間都乖乖地運行在火星和木星之間的軌道上。當它們在這個軌道上運行的時候，會受到木星、土星這些哥哥姐姐們的引力拉扯。有的小行星可能一生氣，就離家出走了。它們就從主帶被引力甩到地球附近，成了近地小行星。上圖中，紅色的點點就是主帶小行星，藍色的點點就是近地小行星。
小行星撞擊的災難與饋贈
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近地小行星可能會近距離地接近地球，和地球擦肩而過。還可能闖入地球大氣層，在大氣層中解體爆炸，甚至撞擊地錶帶來彌天大禍。
2013年，一個大概6層樓高的小行星，在俄羅斯車里雅賓斯克地區上空30公里處解體爆炸。它的爆炸當量相當於30顆廣島原子彈，這個巨大的衝擊波導致了當地接近1600人受傷，3000棟房屋受損。
這是發生在地廣人稀的俄羅斯，如果是在人口稠密的地區，可想而知它會帶來什麼樣的災難和後果。而讓人感到恐懼的是，這個小行星撞擊地球之前，全球沒有任何一個望遠鏡、也沒有任何一個國家發出預警信息，它就突然撞上地球了。
當然小行星撞擊帶來的也不僅是災難，還會帶來隕石這種天外來客的饋贈。隕石不僅具有很高的科研價值，是我們了解太陽系形成、演化時空之門的鑰匙。同時，隕石因其天外來客的身份和稀缺性，在收藏市場上備受歡迎，有的隕石的價格甚至比黃金還要高。在搜尋隕石的過程中也產生了一門新的職業，叫做隕石獵人。所以，每當有小行星撞擊地球或者發生火流星事件時，就有大批的隕石獵人趕赴現場去搜尋隕石。
小行星可以說是懸在人類頭頂上的達摩克利斯之劍。一個直徑20米的小行星就可能導致城鎮級的危害，就像2013年俄羅斯的車里雅賓斯克事件。
一個直徑50米的小行星就可能摧毀一個大型城市。根據研究，發生在1908年的通古斯大爆炸，就是一個直徑50米的小天體在空中解體爆炸。它的衝擊波摧毀了超過2000平方公里的森林，這個面積相當於北京市城八區加上深圳市區。
如果小行星的直徑達到140米，它就有可能摧毀一個中小型的國家。如果小行星的直徑達到1000米，就可能導致全球性的災難和部分物種滅絕。如果小行星達到10千米，那麼全球大部分物種可能都會滅絕，這其中也包括我們人類。
根據科學家的研究，在6600萬年前，一個大概直徑10千米的小行星撞擊了北美墨西哥灣地區，在地球上形成了直徑180千米的隕石坑。大量的海底物質被拋擲到平流層，它們再次落下的時候，全球就下了一場火雨。燃燒的灰燼和塵埃進入了平流層，遮擋了太陽光。全球的溫度驟降，植物的光合作用受到了影響，很多以植物為生的動物就滅絕了，最終導致了包括恐龍在內全球70%的物種滅絕。在地球上統治了1.6億年的恐龍，隨著一個隕石的撞擊，它最終滅絕了。
恐龍滅絕之後，地球的環境有沒有變得更加安全？其實並沒有。所以，人類如果想在地球上更好地生存，我們就必須重視太空中小行星和彗星撞擊的危險性。
其實我們今天能坐在這裡，也要拜這顆小行星所賜。正是這次撞擊事件之後，人類的先祖哺乳動物才從爬行動物的威懾下走出來，慢慢走向地球舞台的中央，發展出今天高度發達的文明。要不然今天可能在這裡演講的是幾隻大恐龍，而台下坐的是一群小恐龍。
也許有人會問：你說的很嚴重，但是為什麼人類歷史上很少有關於小行星撞擊地球的記錄？因為人類在地球歷史上的生存時間太短了。自地球誕生的46億年以來，經歷了大大小小無數次撞擊，發生了22次不同規模的物種滅絕。根據科學家考證，至少10次都和小天體撞擊相關。新生代以來發生了6次不同程度的物種滅絕，分別是：6600萬年前、3400萬年前、1500萬年前、240萬年前、110萬年前和70萬年前。
下一次小天體什麼時候會撞擊地球？還不知道。大尺寸小行星撞擊發生概率極低，但是一旦撞擊，就有可能把整個人類從地球上抹去。地球上整個生物圈都會被格式化。
小行星撞擊會對人類社會帶來巨大的傷害，所以國際社會對此是高度重視的。在2013年俄羅斯車里雅賓斯克事件發生之後，聯合國成立了兩個組織：一個組織叫做小行星監測預警網，它的使命是提前發現並預警可能撞擊地球的危險小行星；另一個組織叫做空間任務規劃諮詢小組，它的使命是如果小行星真的要撞擊地球了，我們應該怎麼辦，如何採取恰當的措施來處置它？中國國家航天局在2018年1月正式加入了這兩個組織。
要防禦小行星，首先要知道小行星在哪裡？小行星的數量可以說是浩如煙海、不計其數。人類目前已經發現了超過29000顆近地小行星，但是這還遠遠不夠，還有大量可以威脅人民生命財產安全的小行星還隱匿在太空之中。然而同學們也不用過於擔心。因為這種千米級直徑、可以導致全球災難的小行星，我們已經發現了94%，可以清楚地掌握它們的軌道，而且在未來幾百年內都不會撞擊地球。
但是我們也不能掉以輕心，因為還有大量可以摧毀一個中小型國家的、直徑140米級的小行星，我們才發現了1/3。還有2/3在哪裡？我們不知道。可以摧毀一個大型城市的、直徑50米的小行星，我們還有95%都沒有發現。而像車里雅賓斯克這樣20米級的小行星，還有99.7%在哪裡我們都不知道。當務之急是對它們進行查戶口、建立檔案，找到這些太空中的危險分子，對它們進行密切的跟蹤和監視。
六招應對小行星撞擊危險
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那如果小行星真的要撞擊地球了，我們怎麼辦？
第一招就是炸，使用核武器將小行星炸碎。這招，不到迫不得已的時候是不會用的。因為將小行星炸碎了，碎塊可能還會繼續飛向地球，到時候整個地球就會沐浴在小行星的槍林彈雨之中。另外，核武器就像潘多拉的魔盒，在太空中使用核武器，就像打開這個潘多拉的魔盒，不知道出來的是天使還是魔鬼。
第二招是撞。像這樣利用一個太空飛行器高速撞擊小行星，將小行星的軌道撞偏，讓它避開地球。
動能撞擊雖然目前被認為是最成熟、最可行的防禦手段，但其實它還有缺點。因為太空飛行器只有幾噸、十幾噸，但小行星有多大？小行星像一座山一樣，它有幾百萬噸、幾千萬噸。用幾噸的飛行器去撞山一樣的小行星，就是以卵擊石。即使撞擊速度比子彈要快10倍甚至更快，但是這對於小行星的速度改變量，可能只有幾毫米每秒或者幾厘米每秒。所以，要利用這種方法改變小行星的軌道，就需要10年甚至更長的預警時間。
如果小行星10年之內，甚至3年之內撞擊地球，我們怎麼辦？美國航天局做了一個研究，假設有10年時間把一個直徑500米的小行星偏轉出9000公里。因為地球的半徑是6300公里，它要偏轉出1.4個地球半徑。算了一下需要75發重型火箭，發射75個8噸的撞擊器。75發火箭怎麼一起發？這就對可靠性和成本提出了非常高的要求。有的同學可能看過電影《不要抬頭》，最後萬箭齊發的時候發生了很多故障，其實現有的科技水平就是這樣。
第三招叫做引力拖車。發射一個飛行器在小行星前方盤旋，利用萬有引力將小行星牽引，改變它的軌道。它的好處是無論小行星是碎石堆還是岩石，都可以吸引。可是這個萬有引力太弱了，所以利用這種方式防禦小行星可能需要20年甚至30年的預警時間。
第四招是燒。利用高能量雷射燒蝕小行星的表面，讓小行星表面物質氣化，從而推動改變小行星的軌道。這種方法不是直接將小行星燒碎，而是將小行星表面的物質蒸發出來，利用牛頓第三定律推動小行星改變軌道。這招其實具有非常好的光明前景，因為它需要的能量都來自於太陽，它是將太陽光的能量轉化成高能量的雷射。但是目前這個技術還不成熟，人類還沒有製造出這樣高能量的空間雷射器。
大家想想還有什麼方法？惹不起躲得起，這也是一招。實在沒辦法了，只能躲在地堡里了。但是如果是一個直徑10千米的小行星撞擊地球，要躲到何年何月何日？
還有一招是捉。利用一個飛行器整體捕獲小行星，將它從軌道上拖離。這招也不是不行，但顯然只能拖小的。那種大的像山一樣的小行星能拖走嗎？拖不走。
2013年，美國航天局提出一個計劃：小行星重定向計劃。希望捕獲一個5到10米的小行星，將它帶到地月空間。這個小行星有多重？500到1000噸。改變它的軌道，將它帶到地月空間，然後再派航天員去登陸。當時的歐巴馬政府對這個事情非常重視，投入7000萬美元研究方案。怎麼找這塊岩石，怎麼捉住它、拖動它，最後如何讓航天員登陸，都做了詳細的研究。很遺憾，這個計劃最後被川普政府取消了。我個人是非常喜歡這個計劃的，它充滿了想像力。它是人類有史以來，第一次嚴肅地論證能不能整體捕獲一個小行星並且改變它的軌道，它的結論是人類具備這個能力。
我們中國的小行星防禦方案
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那我們就需要思考，如果我們有能力捕獲一個幾百噸的小行星，能不能利用它來保護地球？動能撞擊最缺什麼？缺重量。我們能不能利用這個小行星去保衛地球？這就是我們提出來的以石擊石的概念。
2018年，我們課題組開始研究行星防禦，希望能夠提出一些與眾不同、創新的、代表中國特色的防禦方案。以石擊石是我們課題組提出的其中一個防禦方案。如果直接動能撞擊是西方的拳擊，直接硬碰硬的較量。而以石擊石則是代表中國功夫的哲學理念，通過輾轉騰挪、借力打力，藉助小行星的力量防禦小行星，最終實現四兩撥千斤的效果。
大家會說這個太難了，人類還沒有捕獲過小行星。其實，人類的空間探索，就是將一個個不可能的事情變成奇蹟。
當然我們也在想，有沒有更成熟的防禦手段？我們國家新一代長征五號的名字是什麼？胖五。為什麼叫胖五？因為它特別大、很胖，能夠把很重的衛星發射到太空中去。
能不能利用胖五來防禦小行星呢？在傳統的航天發射活動中，將衛星送入軌道之後要星箭分離。因為火箭的最後一級叫做火箭末級，對衛星已經沒用了，要將它扔掉。但是，動能撞擊防禦小行星最缺重量。胖五的末級有6.5噸，將它扔了太可惜了。所以，我們想乾脆利用飛行器帶著胖五的末級去撞小行星。
然後，我們將這個想法和長征五號的設計師交流了一下，他們也非常感興趣。所以我們一起做了計算分析：如果利用胖五發射一個末級擊石的太空飛行器，帶著末級去撞，1髮長征五號可以起到3髮長征五號的效果。還記得之前提到的美國航天局的75發重型火箭去撞小行星的方案嗎？如果帶著末級去撞，只需要23發，這樣就可以極大地節省成本，也提高了技術可靠性。
我們課題組研究的另外一個方向是如何更好地預警小行星。大家知道哪個方向的小行星最危險嗎？其實是白天方向、或者說太陽方向的小行星最危險。因為，地面上看小行星要靠光學望遠鏡。就像白天看不見星星一樣，白天地面的光學望遠鏡也看不見小行星，所以白天方向是地面光學望遠鏡的預警盲區，也是地球預警系統的一個漏洞。為什麼沒看到6層樓高的車里雅賓斯克事件的小行星？因為它是當地上午9點半發生，在陽光的掩護下撞擊地球的。
回溯歷史，可以發現一個非常可怕的事實：過去200多年來發生的4次知名的撞擊事件。（1908年的通古斯大爆炸事件、1976年中國吉林隕石雨事件、2013年的車里雅賓斯克事件、2018年的白令海峽事件），它們都是從白天方向撞擊地球的。
如果下次小行星還是從白天方向撞擊地球，那怎麼辦？要解決這個問題，需要將望遠鏡發射到太空中去。太空沒有大氣、雲雨，所以它是7×24小時工作，白天也能幹活。我們將望遠鏡放到地球領航軌道上去，地球領航軌道在地球的繞日軌道的前方大概2000萬公里處。它就能和地球結伴飛行，為地球進行護航、領航。它不看別的地方，就看地球的白天方向，也就是光照側這一方向。它的目標就是紮緊地球防禦系統籬笆，讓白天方向過來的小行星溜不掉。
▲左：2021年中國航天日
右：2022年中國航天日
在2021年中國航天日的開幕式上，中國國家航天局局長張克儉在致辭中指出，面向新時代，我們將論證實施近地小行星防禦系統。這是一個讓人非常振奮的消息，也是中國官方第一次表態要建設近地小行星防禦系統。這也意味著行星防禦，中國來了！
在今年（2022年）的中國航天日，中國國家航天局副局長吳艷華在接受採訪時指出：我們將著手組建近地小行星防禦系統，並且在2025年或2026年實施一次小行星撞擊防禦的實驗。小行星撞擊防禦已經列入了中國航天的白皮書。
小行星撞擊是全人類共同面臨的潛在災難，雖然發生概率極低，但一旦大尺寸小行星撞擊地球，形成的危害效應極大。如果我們人類想在這個藍色星球上生存更長時間，不想重蹈恐龍滅絕的覆轍，就必須重視來自小行星的威脅。否則，不用等到流浪地球那一天，我們的地球就有可能因為小行星或者彗星撞擊而變成人間地獄。
我們必須攜起手來，未雨綢繆。這樣才有可能在小行星真的到達地球的時候，不至於手忙腳亂、手足無措。這需要你、我，需要全體地球人的支持。
生活在地球上的每個人，大家的家庭背景不一樣，興趣愛好不一樣，性格也不一樣，但是，在面臨小行星和彗星撞擊危險時，我們都生活在同一個星球下，面臨的是同一種命運。所以我們需要目光長遠、態度堅定，為未來可能發生的災難做好準備。
新一代的地球守門人終將是你們，保衛地球安全，防禦小行星，也需要你們的智慧、勇氣和力量。
謝謝大家！
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■ 作者簡介
袁嵐峰
中國科學院科學傳播研究中心副主任
中國科學技術大學科技傳播系副主任
中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員
科技與戰略風雲學會會長