小行星防御难在哪儿

源自：中国科学报

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上传时间: 2022-4-30 03:14

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　　“以石击石”模拟图

⊙记者：倪思洁

　　在4月24日中国航天日，国家航天局表示，我国将着手组建近地小行星防御系统。
　　4月25日，外交部发言人汪文斌表示，中方组建近地小天体防御系统，旨在应对近地小天体撞击这一全人类面临的共同风险。
　　一时间，“小行星防御”成为热门话题。那么，近地小行星防御难在哪儿？目前人类防御实力如何？国际合作现状怎样？带着这些问题，《中国科学报》采访了相关科研人员。
　　关乎文明续存，但面临技术难点
　　国家航天局副局长吴艳华表示，我国将建立地基天基小行星监测预警系统。
　　“小行星防御关乎人类文明的续存，开展小行星监测预警和防御工作，既能保卫人类生命财产安全，也能使我们进一步认识太阳系、迈向深空。”中国科学院国家空间科学中心研究员李明涛告诉《中国科学报》。
　　他介绍，10米至20米直径的小行星会在低空大气中发生空爆，产生的冲击波可能造成城镇级危害；140米直径的小行星会使我国一个省或欧洲一个国家面积的区域受创；300米直径的小行星会使澳大利亚面积的区域受到严重损伤；1000米直径的小行星则会造成全球性灾难。
　　但是，目前全世界在小行星监测、预警、防御上都面临着普遍的技术难点。
　　中国科学院紫金山天文台（以下简称紫金山天文台）研究员赵海斌表示，监测预警的第一步是把小行星找出来。而作为一种非常特殊的运动天体，小行星运行中的不确定因素较多，位置在变，亮度也会时刻变化，因此要寻找这样的目标并不容易。
　　同时，人类的观测能力也有限。“天文望远镜观测是有极限的，太暗的目标我们看不到，只能增加望远镜口径，提升识别目标的软件能力。”赵海斌说。
　　不仅如此，如何挖掘小行星观测到的海量数据，怎样减少观测误差、提升预报精度，如何通过综合手段探测小行星的理化特性进而研判撞击效应，怎样在工程上实现航天器在小行星上的着陆或绕飞等，都是现存的技术挑战。
　　对此，赵海斌建议，一是提升设备观测能力，看到更暗的目标；二是具备多波段观测能力，获得小行星更全面的信息，明确小行星特性；三是布局体系性的研究，研究小行星的编目、分布、危险程度；四是发展数据处理技术，对海量信息进行融合处理。
　　要发起国际合作，还需修炼内功
　　国际合作也是全球联手应对小行星挑战的办法之一。
　　2013年12月，联合国成立了小行星预警组织，在发现小行星有可能与地球发生碰撞时，会将消息通知成员国。我国已加入其中。
　　汪文斌表示，中方将继续通过联合国和平利用外层空间委员会等相关多边机制，同各国开展交流合作，为保护地球和人类安全贡献力量。
　　“小行星监测本身就具有全球合作性质，比如，我们发现了新目标，会提请国际上进行跟踪观测，我们也会跟踪观测别人发现的目标。”赵海斌说。
　　而李明涛有一个更美好的设想：“如果全世界每个望远镜都能像卫兵一样值守一片天区，肯定会有更高的巡天效率。”
　　在他看来，要形成一个完善的监测预警体系，就要推动全球望远镜统筹协作。“当然，这需要国际顶层设计上的协调。”
　　那么，中国是否有能力发起这样的国际合作计划？对此，赵海斌认为，我国在参与国际合作的同时，还需要继续“练内功”。
　　“从国际小行星发现的数量看，中国的贡献大概排在第六，而98%以上全球已知的小行星是美国发现的。”赵海斌告诉《中国科学报》。
　　在国内，赵海斌等人正在尝试开展望远镜的联合观测。“我国天文观测设备不少，未来需要实现多设备的联合观测。”赵海斌说。
　　去年，他们对一颗近距离飞掠地球的小行星进行了全国性的联合观测。当时有20多个设备参与，13个设备获得了有效的观测数据，数据汇总到紫金山天文台后，研究人员确定了小行星的轨道及其他信息。
　　撞击动能有限，依赖提前预警
　　观测到小行星之后，接下来的问题是如何有效防御对地球有威胁的小行星。
　　吴艳华表示，我国争取在“十四五”末期或者2025年、2026年实施一次对某一颗有威胁的小行星的轨道改变技术实验。
　　2021年11月，美国发射了“双小行星重定向测试”（DART）计划，被认为是全球首个在太空中执行撞击小行星并验证主动行星防御技术的任务。
　　通过撞击小行星改变其轨道，也是我国科学家一直努力的方向。
　　2019年，李明涛团队曾提出过“摘星计划”，并设计出一种通过操控小行星来改变其运行轨道的概念方案。此后，他们在“摘星计划”的框架下，又提出了“以石击石”的概念方案，希望能捕获一个几米尺寸的小行星或石块，去撞击一个对人类有威胁的小行星，目的是提升撞击动能。
　　在李明涛看来，处置能力太弱是人类防御小行星时面临的最大挑战。“小行星太沉、太大，像一座小山一样，有几十万吨甚至几百万吨，而航天器的重量最多有几吨，所以撞击速度虽然很快，但对小行星轨道速度的改变量可能只有几毫米/秒。”李明涛说。
　　在这种情况下，他认为，要想成功地让小行星偏离对地球有威胁的方向，最好的办法就是提升监测预警能力，为处置小行星提供充足的预警时间。
　　“提前发预警，提前去撞，这样才有可能让‘毫厘’之差变成‘千里’之差。”李明涛说。
　　今年3月，李明涛和赵海斌等人在国际行星科学领域期刊Icarus上发表了一篇研究论文，提出了一个名为“地球领航轨道”的天基监测预警任务概念方案。
　　这个任务是在地球领航轨道上部署两台望远镜，当小行星从太阳一侧方向接近地球时，及时发出预警。在论文中，他们计算确定了望远镜的初始轨道，并建立了小行星发现和预警能力评估模型。
　　“天基与地基可以实现相互补充，提升小行星的监测预警能力。”赵海斌说，地基望远镜的优势是口径可以做得比较大、工作寿命比较长，劣势在于观测时间和观测天区有限、受大气条件制约。天基望远镜的优势在于可以全天候观测、覆盖的天区大、观测波段宽，劣势在于成本比较高、工作寿命相对较短。
　　做好基础研究，服务国家需求
　　得知国家将着手组建近地小行星防御系统的消息时，赵海斌心潮澎湃。他所在的紫金山天文台，是国内小行星观测研究历史最悠久的机构。
　　“小行星观测是我们的一个传统学科，紫金山天文台前台长张钰哲先生是中国近代天文学的奠基人，他最擅长和喜爱的就是小行星研究。如今我们仍保持着这一传统，几十年都没有中断。”赵海斌说。
　　最早，紫金山天文台用的是40厘米、60厘米口径的望远镜。进入新世纪后，他们在江苏盱眙建了一个1米口径望远镜，主要目标就是寻找和监测小行星。
　　“这个望远镜从运行以来，已经发现了30颗新的近地小行星，其中有5个是比较大、距离地球轨道比较近、构成潜在威胁的小行星。最近的一颗小行星距离地球大约14万公里。”赵海斌说。
　　“我觉得挺开心的，努力了几十年的事情终于受重视了。我们非常乐于参加国家的任务，也会尽力为近地小行星防御系统的组建提供方案支持。”赵海斌说。

●　论文链接
　　信息：
　　https://doi.org/10.1016/j.icarus.2022.114906