17年前人類曾炮轟彗星,今年又有一場撞擊大戲,拯救地球在行動

先糾正一下,所謂「炮轟」是媒體使用的一個形容詞,準確的說法是撞擊。

撞擊的炮彈叫「深度撞擊號」

北京時間2005年7月4日13點52分,在距離地球1.3億公里的地方,上演了一場「炮轟」彗星的大戲,這場戲許多網友可能不知道,但在科學界,尤其是天文物理學界卻引起了很大反響,要知道這可是人類第一次將「戰火」漫延到一顆小行星上。

這顆作為靶子的小行星是一顆彗星的彗核,被稱為「斯坦普一號」,大小約為長14公里,寬5公里。炮轟這顆彗星的炮彈叫「深度撞擊號」,是NASA(美國航空航天局簡稱)從1999年開始籌劃,經過五年多的研制,于2005年1月13日發射的一艘探測器,耗資3.3億美元。

經過5個多月的追蹤,「深度撞擊號」行程4.3億公里接近了這個「靶標」,在觀測拍攝了大量資料傳回后,以比炮彈快十倍、每秒10.2公里的相對速度,一頭撞上彗星彗核,完成了人類「首撞」的偉大使命。

實施撞擊的是探測器7月4日在靠近「斯坦普一號」50公里時,釋放的一個撞擊器器,這個撞擊器由銅和鋁構成,質量為370公斤,撞擊能量達到4.7噸TNT炸藥當量,整個過程只用了3.7秒。

探測器欣賞到了撞擊產生的太空焰火,但由于撞起的煙塵遮蔽了撞擊點,無法看清撞擊后的情況,恰好歐空局發射的「羅塞塔號」彗星探測器也在附近,距離相撞地點8000萬公里,通過一周的觀察拍攝,發回了大量「坦普爾一號」被撞后云霧的變化資料。

天文學家們通過研究這些資料,得出這次撞擊在彗星表面產生了一個半徑約30米的大坑,有5000多噸灰塵以每秒110~300米的速度被拋離彗核,還有約5000噸的冰和約15噸的氫氰酸以冰粒形式被拋向太空,在太陽輻射下迅速升華為氣體。

最終NASA宣稱,在彗核上留下了一個足球場般大,深度達到30~50米的撞擊坑,但撞擊只導致彗星的速度變化了0.0001毫米每秒,彗星未來的近日點將減少10米。

由此,這次撞擊試驗得到如下成果:首先,人類首次看到了彗核是什麼樣子,并且分析了彗核的物質組成,為進一步探索了解太陽系誕生、地球上的水和生命起源等具有重大幫助;其次,探測器的遠程無人控制技術堪稱完美,萬里穿針式的精準撞擊令人震撼,對未來人類更深遠的太空探索積累了寶貴經驗。

要知道,如果稍有偏差,撞擊器就有可能擦邊而過而落空,幾億美元就打了水漂。那麼這種撞擊出了以上成果,根本目的是為了啥呢?主要還是為了應對小行星威脅,因為這種威脅曾經毀滅過地球80%的物種,科學家們就一直想通過研究小行星,找到規避的方式。

小行星撞地球為啥會導致巨大災難

許多網友總會低估小行星撞擊的力量,認為不過就是一些太空碎片撞擊地球嗎,火山噴發也就那麼回事,怎麼可能會導致人類毀滅性災難呢?火車相撞也就那麼回事,一顆十幾二十米的小行星,怎麼可能形成通古斯大爆炸和車里雅賓斯克地區那種巨大威力呢?

這是對速度與能量關系認知的缺乏。同一個質量的物體,速度越大,撞擊的能量就越大,而且隨著速度加快,撞擊能量就會呈指數級提升。一個很簡單的例子:你拿個木棒輕輕碰一下腦袋和快速打向腦袋,后果能一樣嗎?

那麼小行星撞擊地球的速度有多快呢?根據圍繞著太陽運動的環繞速度和逃逸速度計算,小行星運行速度一般應在30~42公里之間,至于撞上地球的相對速度,就要看從哪個角度撞過來了。

如果正好從地球公轉軌道前方撞入,其速度就是小行星本身速度加上地球公轉速度,至少在60公里到72公里之間;而從不同的側面或后面撞入,其速度就有許多變化了。

因此,小行星撞擊地球相對速度快慢不等,從過去撞向地球的小天體來看,一般都在每秒10公里到40公里之間。據一些專家考證,6500年前毀滅恐龍的那顆小行星直徑約10公里,撞擊速度每秒約30公里;導致通古斯大爆炸的那顆小行星直徑約20米,撞擊速度每秒約20公里;撞入車里雅賓斯克地區的小行星直徑約17米,速度每秒約19公里。

假設這些小行星是巖石小行星,按花崗巖密度每立方米2.7噸計算,根據球體積公式可得出它們的質量約為:直徑10公里的小行星質量為1.4萬億噸,直徑20米的小行星質量為11310噸,直徑17米的小行星質量為6173噸。

當然,很小的小行星并非是完美球型,更多的是土豆型等不規則形狀,因此這里的計算只供參考。

撞擊能量公式為E=1/2mv^2,這里的E表示能量,m表示撞擊物體的質量,v表示撞擊速度。根據這個公式,我們來簡單計算一下這些小行星撞擊的能量有多大。

6500萬年前,導致恐龍等80%左右物種滅絕的那顆小行星,撞擊能量可達150萬億噸TNT炸藥爆炸能量。一些資料介紹,科學家測算的撞擊能量約為120萬億噸TNT當量,這說明其計算時取的密度或速度值與我略有偏差。

導致通古斯大爆炸的小行星撞擊能量約為54萬噸TNT炸藥爆炸能量;撞擊車里雅賓斯克地區的小行星能量約為26.6萬噸TNT炸藥爆炸能量。當然,這些小行星可能并非都是巖石性質,有些可能是彗星冰質,這樣撞擊能量雖然會有所降低,但破壞力依然巨大。

許多專家分析認為,導致通古斯大爆炸的就有可能是一顆二十幾米的彗星,在還沒到地面的上空就爆炸蒸發了,即便這樣,其能量也達到20萬噸以上的TNT當量,空中爆炸的沖擊波威力更大,因此摧毀了幾千平方公里的樹木。

而有的專家們認為撞擊車里雅賓斯克地區的那顆小行星,真實的爆炸能量達到45萬噸TNT當量,相當30顆廣島原子彈同時爆炸威力,才導致沖擊波影響了數千平方公里,7000多棟房屋受損、玻璃被震碎,1500人受傷的后果。

這就是小行星撞擊為什麼能夠造成毀滅性災難的原因。

小行星撞擊的機率和防范措施

在太陽系空間飛行的小行星有無數顆,小行星由于很小,遠了就看不見,因此絕大多數就看不到,只有距離比較近的一些才能夠被發現。現在已經被確認的小行星就有120多萬顆,其中57%已經有正式編號,已知大于4公里的小行星有數百顆,大于1公里的有2000多顆。

在這些小行星中,對人類威脅最大的是近地小行星,就是其運行軌道與地球軌道相交的小行星,這類小行星現在已經發現的有25000余顆,其中對地球具有潛在威脅的有2200余顆。近地小行星中1公里以上的就有500多顆,任何一顆撞擊地球,都會帶來毀滅性的災難。

這些小行星撞擊地球的機率有多大呢?天文學家們通過科學建模,得到的數據是:直徑大于1公里的小行星撞擊地球的機率為10萬年1次;直徑10米的小天體撞擊地球的機率為3000年一次。

許多科學家認為,小行星撞擊的風險嚴重被低估。事實上我們也看到,直徑10米的小行星在近百年來就已經發生過很多次了。根據NASA公布通過傳感器收集的數據,從1988年到現在,全球發生的火球事件(小行星碎片撞入大氣層燃燒)已經有上千起。

而1公里以上的小行星撞擊地球已經過去6500萬年了,因此受到這種較大小行星撞擊的機率就會越來越大。早在上個世紀,科學界就開始高度重視小行星撞擊的防范,最早提出這個課題的是麻省理工學院的教授們,將這個問題作為課題提供給課堂的學生。

聯合國于2008年成立了預警和監測小行星的組織,叫太空探險家聯合會;2013年,正式創建了專門應對小行星危害的「國際小行星預警小組」。別看只是一個小組,卻是由全世界各地科學家、天文臺和空間機構聯合組成,其可調動力量十分龐大。

但幾十年來,對于小行星的防范一直停留在監視上,甚至有時候防不勝防。比如2019年7月25日,一顆后來命名為2019 OK的小行星與地球擦肩而過,直到掠過地球的前一個小時才發現,這顆小行星大小在57米*130米,如果撞上地球會毀滅一個州!

因此,監測還需要大大加強,且發現得越早,才能起到越大的防范作用。但如何避免6500年前那種毀滅性撞擊,讓人類得以更久遠地延續呢?科學家們已經設想了很多辦法,如動能撞擊、引力拖曳、核彈爆破等等,目的就是讓小行星偏離軌道,不要撞上地球。

遺憾的是,迄今為止還沒有找到一個切實可行的方法,因為在地球上是沒法驗證這種理論的,必須找到一顆真正的小行星來試驗。科學界一直在持續不懈的努力,NASA依然走在前面,17年前的「炮轟」彗星試驗就是一次嘗試。

而在今年的9月份,NASA將再次上演一場撞擊大戲,這次撞擊的對象是一個叫「迪蒂莫斯」的雙小行星系統,撞擊的「大炮」早已出發。

今年的小行星撞擊大戲如何上演

這場戲在2021年就已經拉開了序幕,北京時間11月24日14點20分,一顆被命名為「DART」的航天器從美國范登堡基地發射成功,朝著一顆叫「迪蒂莫斯」的雙小行星系統飛去。這艘航天器的尺寸為1.8*1.9*2.6米,發射質量為610公斤。

這次任務稱為「雙小行星重定向測試」,主角就是「DART」航天器,其任務只有一個,就是追上「迪蒂莫斯」,然后一頭撞上其中較小的那顆小行星,以身殉職獲得一系列數據。它是又一個為人類能夠活得更長久而獻身的AI,人類未來的忠烈祠里應該給「DART」留一個位置。

「迪蒂莫斯」雙小行星的主星就叫Didymos,平均直徑約780米,2.26小時自轉一周;次星叫Dimorphos,直徑約160米,11.9個小時圍繞著主星轉一圈,兩星相隔約1公里。這顆小行星軌道在可預見的未來對地球并沒有什麼威脅,但近地點距離又不太遠,因此正好用來進行撞擊試驗。

「DART」的任務就是撞向次星,撞擊時質量還剩余550公斤,速度為6.6公里,撞擊的能量可達到5.7噸TNT當量。這次撞擊被認為是人類歷史上第一次嘗試挑戰偏轉小行星軌道,科學家們形容這次撞擊有點像用一輛高爾夫球車,撞擊一個裝滿石頭的足球場。

預計撞擊會在小行星表面形成一個10米的撞擊坑,并讓其公轉速度改變1%左右,周期縮短約10分鐘,從而導致雙小行星整體改變其運行軌跡,實現「重定向」。2005年的撞擊在彗星上形成了一個半徑30米的坑,相比之下這次撞擊只能形成10米直徑的坑,說明這顆小行星密度比彗星大多了。

通過對撞擊效果的觀測和計算,將會得到許多寶貴的數據,通過這些數據分析,就能夠得到未來小行星朝我們奔來時,采用多大力量能夠偏轉其軌道,讓地球躲過一劫。這可能是目前解決小行星撞擊威脅最直接有效的辦法,如能夠成功,則為人類之大幸。

這項計劃早在10年前的2012年就開始醞釀了,原定是由美國NASA和歐空局合作完成,NASA負責撞擊,歐空局負責探測觀察,通過先發送一艘探測器到達「迪蒂莫斯」附近,研究小行星表面物理特性、地質成分、內部結構等,隨后等撞擊發生后,再觀測撞擊后的情況,得到前后更精確的對比。

但任務難度很大,何況還有資金困難,任務進行到中途歐空局無力堅持下去,由此停了下來。不過后來歐空局又撿起了這個計劃,只是另行設計了一個更小型叫「赫拉」的探測器,預計要到2026年發射,屆時前往追蹤「迪蒂莫斯」,評估DART撞擊的影響。

為了更好地觀測撞擊過程和結果,DART航天器隨身攜帶了一個叫「LICIA」的小立方衛星,會在撞擊前10天釋放出來。這顆衛星由意大利提供,上面配備了兩臺相機,其中一臺叫「LEIA」的高分辨率黑白相機,可在撞擊時拍攝小行星表面高清黑白圖像,讓科學家查看分析產生的羽流和碎片;另一臺叫「LUKE」的相機,可捕捉彩色光譜圖像,讓小行星的地形更清晰。

現在,「迪蒂莫斯」正在朝著地球飛來,將會在今年9月26日到10月1日期間最接近地球,屆時距離地球不到1100萬公里,「DART」將與其會合,擇機完成舍身一撞。「LICIA」衛星會將撞擊實況傳送到地球,以光速傳輸的電信號路途需要三十多秒鐘;除此之外,布置在地球表面和空間的望遠鏡,也會對準這組小行星進行觀測。

據悉,這次撞擊大戲開演時會向全球直播,我們能有幸看到這次人類制造的太空奇觀嗎?拭目以待。對此有興趣的朋友可鎖定9月26日到10月1日這個時間段,你會收看嗎?歡迎討論,感謝閱讀。

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