科學家設計概念小行星偏轉器並進行評估，以應對巨大的潛在威脅

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家們是一個國家行星防禦小組的成員，他們設計了一個概念宇宙飛船來轉移地球上的小行星，並評估它是否能夠推動一顆巨大的小行星——這顆小行星有一個遙遠的機會在2135年的時候撞擊地球。在《宇航學報》最近發表的一篇論文中概述了設計和案例研究。這個9米高，8.8噸重的航天器——被稱為HAMMER(緊急響應飛行器的超高速小行星緩解任務)——具有模塊化設計，使它可以作為一個動力衝擊器，本質上是一個攻城錘，或者作為一個核裝置的運輸工具。它可能的任務是將直徑約500米(超過5個足球場)直徑約為790億公斤(相當於泰坦尼克號重量1664倍)的大型小行星「Bennu」轉移到大約63000英里/小時。

一個國家的行星防禦團隊最近的研究重點是把巨大的小行星101955 Bennu偏轉。本努將在2135年9月25日對地球採取非常接近的方式。圖片版權：Lawrence Livermore National Laboratory

根據現有的觀測數據，本尼在2135年9月25日有2700次機會撞擊地球，據估計這種撞擊的動能相當於1200兆噸(8萬倍於廣島原子彈的能量)。現在這種影響的可能性似乎微乎其微，但其後果將是可怕的，LLNL的物理學家和合著者柯爾斯頓·豪利(Kirsten Howley)說，這項研究的目的是幫助我們縮短反應時間，當我們看到明顯的危險時，我們可以有更多的選擇來轉移它。」最終的目標是做好保護地球生命的準備。Bennu是一個國家的一部分行星防禦合作國家航空和宇宙航行局(NASA)和國家核安全局(NNSA)其中包括LLNL和洛斯阿拉莫斯國家實驗室。三個尖頭叉子的行星防禦,NASA負責第一,探測小行星與足夠的時間來減輕風險。LLNL行星防禦團隊是第二次prong的技術領導，減輕了威脅。LLNL團隊也支持第三個prong，緊急響應。

減輕小行星威脅的最佳方法是將一個動能撞擊器撞向它，將其輕輕推到足夠大的地方以減慢它的速度，但不會太大以致於物體破裂。這項研究有助於量化閾值，即動能衝擊器不再是有效的偏轉選項。為了評估這一閾值，研究人員專註於確定需要多少錘擊器來轉移Bennu。如果你把這顆小行星偏離50年，需要給它的推力是非常小的。但是可能會認為被擊中的比例是1%。」在今天的2700萬次中，有1 / 2的可能是貝努的影響，但隨著我們收集更多關於其軌道的數據，這幾乎肯定會改變——無論好壞。延遲是任何行星偏轉任務的最大敵人。這就是為什麼今天要在貨架上找到可行的偏轉平台的原因。研究人員估計如果決定要開始一項轉移Bennu的任務，就需要至少7.4年的時間，才能將一種衝動傳遞給地球上的物體。

這包括建造宇宙飛船所需的時間，計劃任務和旅行到目標。假設衝擊器成功地將其能量儲存在小行星上，稍微減慢它的速度，就需要許多年的時間才能使速度的微小變化累積到軌跡的足夠變化中。研究人員在這項研究中評估了一系列的偏轉情況，從發射前10年到25年前的影響。在10年的場景中，它確定了它可以在34到53次發射的德爾塔IV型重型火箭，每個攜帶一個單一錘衝擊器，使一個班納級小行星失去地球。如果有25年的領先時間，這個數字可以減少到7到11次。確切的數字將取決於預期的地球距離和小行星撞擊的條件。梅根·布呂克·賽勒，LLNL的物理學家和合著者在論文中說:當許多發射都需要一個成功的偏轉時，任務成功變得更加困難，因為每一次發射的失敗率。如果我們只有10年的發射時間，我們就需要用數百噸的力量打擊本努，僅僅是為了讓它偏離地球的影響路徑，需要幾十次成功的發射和撞擊小行星。

一顆小行星能有多大?研究人員確定，一個單錘衝擊器可以使直徑90米的物體偏離直徑約1.4個地球半徑10年，從發射時間到預期的地球撞擊。如果他們需要更少的偏轉，大約四分之一的地球半徑，一個單一的衝擊器可以有效的在這個相同的情況下直徑152米的物體。論文最後得出結論，使用單個鎚子飛船作為攻城錘將不足以使像本奴這樣的物體偏轉。雖然最近對核偏轉方案的模擬不包括在這篇論文中——它們將被包括在即將提交出版的一份夥伴論文中——研究結果表明，可能需要像Bennu這樣的大型物體來選擇核選項。核方法有可能把更多的能量儲存在像貝努這樣的物體上，從而導致速度和軌跡的變化。不像像電影《世界末日》那樣的對核偏轉任務的通俗描述，核偏轉方法將包括引爆一顆與小行星有一定距離的核爆炸裝置。

這將會使小行星的一側充滿x射線，蒸發表面，這將會產生推進，因為蒸發的物質會從物體中噴射出來。與動能衝擊器不同的是，在一顆核裝置中儲存的能量可以通過調整在引爆時距離小行星的距離來調整。因為Bennu經常通過接近地球的雷達觀測，研究人員能夠準確地估算出它的軌道，並給出幾十年的警告，如果它一定會影響地球的話。這種近地近地的近地飛行每六年發生一次。但是對於其他不經常接近地球的雷達觀測對象來說，存在更多的不確定性。如果僅限於望遠鏡觀測，可能研究人員在碰撞前不到一年的時間內，就不會百分之百確定其影響。在一個沒有足夠的時間來執行有效的偏轉任務的情況下，最後一個選擇可能是通過核爆炸產生強大的破壞，但機會之窗將會非常緊張。

成功的破壞需要確保小行星的碎片足夠小和分散，這樣它們就能大大減少對地球的威脅。在撞擊發生後的數十天內進行的破壞仍能非常有效地減少地球的總傷害。研究小組之前的研究表明，即使是在這樣的晚期，撞擊碎片也會減少到其初始質量的1%以下。本努是迄今為止NASA發現的近1萬顆近地天體中的一顆，科學家們估計，這只是地球上約2800萬英里的天體的一小部分。好消息是這些物體大多比Bennu小得多。美國國家航空航天局近地天體研究中心(Center for Near Earth Object Studies)列出了近2500個靠近地球的天體，這些天體可能與本努一樣大。這項研究是三個案例研究中的第一個，每一個研究都要研究不同的緩解方案。下面的案例研究了Didymos B的偏轉，NASA的DART任務的目標，以及一個縮小的彗星Churyumov-Gerasimenko，它在2014年到2016年被歐洲航天局的羅塞塔觀察團訪問過。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Acta Astronautica

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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