假如小行星來襲 我們該如何保衛地球？
2015年冬季的一場行星防禦會議上，一眾航空航天領域的專家展開了激烈討論，他們正在處理這樣一個虛構的情景：小行星「2015PDC」正在向地球襲來。這顆行星直徑150～400米，最早將於2022年9月與地球相撞。地球人該如何應對？
文字 Sarah Fecht 劉德陽
摘自美國《Popular Science》（大眾科學）中文版，謝絕轉載
雖然這一設想是完全虛構的，但會議的組織者還是試圖做到儘可能逼真，該場景包含了科學家們可能會面對的所有未知情況，比如小行星的大小、構成元素，以及發生撞擊的具體地點。在這場會議上，與會者著重探討了一種使用航天器撞擊小行星以改變其運行方向的策略，還有人則提出了另外一些避免災難的新方法。
雖然從《世界末日》的導演邁克爾·貝到美國航空航天局都建議我們炸毀向地球接近的小行星，但這一觀點卻極富爭議。《外層空間條約》從技術上禁止在太空中使用核武器。一些科學家也認為爆炸碎片造成的潛在危害可能不亞於一顆完整的小行星。馬德里理工大學的空間力學研究員Claudio Bombardelli說：「我的觀點是，只有在所有其他選項都註定失敗的情況下，才能使用核武器讓小行星偏離軌道。」
作為替代方案，Bombardelli團隊贊成使用一隻「離子束牧羊犬」將來襲的小行星推離軌道，他們和其他研究者已經就該方案研究了數年。Bombardelli和他的同事們評估了一個計劃：向該假想小行星發射一束離子（帶電粒子）。這些離子會以30.5千米/秒的速度傳播，撞擊時將動量傳遞給小行星，將其輕輕推離預定軌道。Bombardelli說：「這種力非常小，只有長時間作用於小行星的情況下才能起作用。」
Bombardelli團隊在論文中設想該假想小行星重約2000萬噸，持續兩年對其施加質量相當於一顆草莓的力，就可以使其方向偏離數百千米。這種離子束可以由使用離子發動機的航天器發出，這種航天器類似於2015年抵達穀神星（太陽系中最小且惟一位於小行星帶的矮行星）的「黎明」號探測器。
首先，離子發動機會驅動航天器前往目標小行星。當接近小行星時，航天器將改變方向，使離子發動機噴管朝向小行星，以推動小行星。Bombardelli說：「這些發動機被賦予了雙重用途，航天器的重量也因此得以減輕。」
和「黎明」號一樣，這艘假想的航天器使用太陽能帆板產生的電力將氙氣電解成離子，產生離子束，航天器會繼續電離向後噴射的離子束，直至將這些離子束拋離飛船尾部電離範圍。該團隊經計算得出，推離小行星的航天器將需要大約11千瓦的電力，這基本與「黎明」號飛船上已經實現的技術大致相同。
一束離子施加到一顆小行星上的力的大小仍是一個模糊變數，針對這一問題，Bombardelli團隊正在德國航空航天中心的等離子真空箱艙中測試。截至目前，他們的成果達到了預期。按照研究者們設想的計劃，航天器將於2017年5月28日發射，並於2019年9月30日抵達「2015PDC」附近。
只有3年時間讓假想小行星偏離軌道。假如它的直徑為250米，密度與一般小行星相當（2克/立方厘米），那麼這點時間不足以將它推離足夠遠的距離，使它完全避開地球。但我們有可能將其移向損害相對較小的路徑。所以下一個大問題是：要把它移去哪裡？
▲小行星重定向任務概念圖
研究者們假設的最壞結果之一是，小行星將會撞擊擁有1600萬人口的新德里。他們的備案是：通過使用離子束連續22個月對小行星施加影響，其軌道可以被移到阿富汗帕克蒂卡省的鄉村地區，使傷亡人數降低兩個數量級，並減少基礎設施的損失。即使航天器只能在小行星上工作15個月的時間，也可以將小行星退往巴基斯坦的旁遮普省。這片區域要比阿富汗的鄉村發達，但和新德里比，同樣能將傷亡人數降低一個數量級。
▲撞擊新德里的小行星的預計偏移路徑，最亮處為新德里，偏移路徑最左側為阿富汗
雖然離子推進器可以將小行星的撞擊點從印度人口密集的大型城市移至巴基斯坦或阿富汗，但這樣的解決方案需要國際磋商和協作——兩個備選方案的政治挑戰比科技帶來的挑戰更難以克服。
如果小行星撞擊的是孟加拉國首都達卡而不是新德里，研究者們計算的結果是，離子束工作13個月可以使之改道撞擊緬甸，將人口和基礎設施的損失降低兩個數量級。若小行星撞擊德黑蘭，實際上最容易改變路線，因為伊朗首都周圍都是沙漠。離子束只需要施加一兩個月的力，小行星就可以被改變航向，將人口和基礎設施損失降至最低，而且還無需太多政治角力。
根據科學家們的評估，想要萬無一失地改變假想小行星「2015PDC」的航向，使之避開地球，至少需要5艘離子發動機航天器，並在太空持續工作33個月。而完全阻止一顆直徑400米的小行星則需要20艘航天器。建造和發射這麼多航天器，成本十分高昂。
「小行星的大小非常關鍵，我們事先卻無法準確了解。」在有些假想情景中，離子束推離根本起不了作用。離子需要數月乃至數年時間才能移動一顆小行星，所以只有當人類提前得到早期預警才能使用這種方法。
假如留給人類的響應時間很短，那麼行星防禦會議上提出的動能撞擊體方案將是首選。這種方案會讓航天器與小行星相撞，以改變其運行方向。這種航天器的結構相對比較簡單，建造它們要比建造離子發動機航天器更加快捷。
然而動能撞擊體方案的最大缺點是，它只能在某一個方向上改變小行星的運行軌跡。這一方案的重點在於降低小行星的速度。科學家們將航天器置於小行星的必經之路上，小行星與之相撞後速度會降低。軌道力學決定，小行星速度降低後軌道半徑會變小，這使得小行星免於與地球相撞。在行星防禦會議上給出的虛構情景中，動能撞擊體只能使小行星向西移動，而離子束可以使小行星移向任何方向。如果我們能將小行星移往人口更少的地方，這種方案就有潛在的價值。
美國航空航天局的小行星轉向任務將探索另外一種移走小行星的方案：航天器將飛向小行星，提取一顆巨大的岩石，將增加的負重作為一種重力牽引槓桿將小行星略微推離其運行方向。這是另一種「緩慢推移」方案，但並不像使用離子束改變小行星運行方向那樣簡單。
使用核武器攻擊小行星可能有用，但很多科學家認為這是「最後的選擇」。「應對威脅地球的數目龐大而又迫在眉睫的小行星，還有很多其他選項。」Chodas說，「使用核武器在我看來是孤注一擲的選項，這種方案的結果更加無法預測，但毫無疑問我們可以考慮將其作為備選方案。而且我們在會議上也認真討論了這種方案。」
最後，行星防禦會議的所有與會者一致認同：改變小行星航向最好的方案將取決於具體情況。Chodas解釋說：「每種情況都不相同，這取決於預警時間、小行星的軌道、大小、成分等諸多因素。」
（本文選自《科技生活 | Popular Science》。《科技生活》是美國《Popular Science》中國唯一版權合作單位。原創作品，未經授權不得轉載。申請合作請聯繫微信：科通社。投稿郵箱：kejish@163.com，新媒體編輯/呂冰心）
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