如何避免小行星撞地球？

2029 年 4 月 13 日，一顆由冰構成的且長度超過艾菲爾鐵塔的小行星，將會以每秒 30 千米的速度掠過地球同步衛星所經過的軌道範圍。在接下來的十年裡，它將成為距離地球最近的大型小行星之一。

對 99942 小行星（又名阿波菲斯，埃及神話中的混沌之神）的觀測顯示出，它將會在 2029 年飛過引力鎖眼。引力鎖眼是地球引力場中的一個區域，該區域會在下一次小行星接近時改變它的運行軌跡。2036 年，將有可能發生一場災難性的大碰撞。

值得慶幸的是，最近的觀測已經證實這顆小行星會在 2029 年以及 2036 年平安無事地經過地球。儘管如此，大多數科學家依然認為要儘早考慮應對策略，以防小行星撞擊地球。

目前，麻省理工學院的研究人員們已經設計出了一種應對框架，用於確定何種方法在應對來襲的小行星時勝算最大。他們的決策方法考慮到了小行星的質量和動量、與引力鎖眼的接近程度以及科學家們對即將發生的碰撞的預警時間。所有這些因素都含有幾分不確定性，研究人員需要把這些不確定性同樣考慮進來，才能確定針對某一小行星的最佳應對方案。

研究人員將他們的方法應用到了阿波菲斯與貝努之上，後者是另一顆近地小行星。美國宇航局 OSIRIS-REx 探測器的目標正是小行星貝努，該任務計劃在 2023 年將貝努表面的物質樣本送回地球。麻省理工學院的學生們還為本次任務設計了一個叫做 REXIS 的設備，該設備將會用於測量小行星表面化學成分的豐富程度。

本月發表在《宇航學報》雜誌的一篇論文指出，研究人員使用決策圖列出了應對小行星阿波菲斯以及貝努的最有可能成功的方法。在各種情形中，研究人員都考慮到了這兩顆小行星有可能飛向引力鎖眼的情況。他們表示，這個方法可以幫助我們設計出最佳的解決方案，進而促使對於地球具有潛在威脅的近地小行星偏離碰撞軌道。

柏相旭是該論文的第一作者，曾在麻省理工學院航空與航天系取得碩士學位。他表示，「當小行星已經通過引力鎖眼並撞向地球時，人們大多才考慮最終的解決方案。但我還是對在撞擊前就阻止其通過引力鎖眼這一研究方向更感興趣。這就像我們主動出擊一樣，不會造成太多的負面影響。」

柏相旭的合作作者還包括來自麻省理工學院的奧利佛 · 德 · 韋克、傑弗裡 · 霍夫曼、理察 · 賓採爾以及大衛 · 米勒。

讓一顆行星殺手偏離碰撞軌道

2007 年，美國宇航局在呈給美國國會的報告中總結道，如果小行星向著地球襲來，那麼使其偏離碰撞軌道的最有效的方法就是發射核彈。儘管地球有可能會遭遇核輻射的危險，但是爆炸所產生的力量卻可以將小行星清出碰撞軌道。在行星防禦界，使用核武器應對小行星撞擊仍然存在著爭議。

第二種最優辦法是發射「動力撞擊器」，它可以是一艘飛船、一枚火箭或者其他發射物。如果發射方向準確、速度合適，那麼撞擊器將會與小行星發生碰撞，並將其動量轉移走一部分，從而使小行星偏離碰撞軌道。

柏相旭表示，「這與打撞球有著相似的物理學原理。」

然而，航空航天工程系統教授奧利佛 · 德 · 韋克表示，想要使動力撞擊器取得成效，我們就必須 「儘可能地去詳細」 了解小行星的情況，例如質量、動量、運行軌跡以及表面構成。這就意味著，在設計攔截方案時，科學家以及任務規劃者需要將不確定性因素考慮在內。

奧利佛 · 德 · 韋克還說道，「如果說任務成功的可能性有 99.9% 或只有 90%，兩者間的差距很重要嗎？當我們要去攔截一顆對地球有潛在威脅的行星殺手時，你最好覺得這是一件嚴肅的事。因此，根據不同等級的不確定性的功效來制定方案時，我們必須要多加留意。之前，還從來沒有人利用過這種方式來看待問題。」

關閉引力鎖眼

柏相旭和同事們開發了一個模擬代碼，用於在了解小行星的不確定因素後，挑選出勝算最大的攔截任務。

他們所考慮的任務中包括一個基本的動力撞擊器，該裝置作為一個發射體可以使小行星偏離碰撞軌道。該任務還需要發射其他的裝置，比方說要對小行星進行先期測量的探測器，這樣我們就能對之後發射的動力撞擊器進行更精確的調校。或者說，我們可以發射兩個探測器，一個用於測量，另一個用於小幅度地修正小行星的軌道。之後，在我們有更大的把握時，再發射動力撞擊器，使小行星徹底偏離撞擊軌道

研究人員將諸如小行星的質量、動量以及軌跡這樣的特定變量輸入到模擬程序中，同時他們還考慮到了這些變量中的不確定因素的影響範圍。最重要的是，他們也考慮到了小行星與引力鎖眼間的距離，以及其穿過鎖眼前所留給科學家們的時間。

柏相旭表示，「鎖眼就像一道門，一旦打開，小行星很可能會在不久之後撞擊地球。」

我們僅知道幾個小行星的引力鎖眼與地球引力鎖眼的相對位置，小行星阿波菲斯和貝努便是其中之二。因此，研究人員用這兩顆小行星進行了模擬。他們模擬了每顆小行星與其各自鎖眼的距離，並同時計算出了距 「安全港」 區域的距離。在這一區域中，小行星必然會偏離碰撞軌道，從而避免與地球相撞或落入附近的任何引力鎖眼。

之後，研究人員根據科學家們所需的準備時間，對三項攔截小行星勝算最大的主要方案進行了評估。

例如，假設小行星阿波菲斯會在五年或五年多之後通過引力鎖眼，那麼在發射主要的動力撞擊器之前，我們就有足夠多的時間來發射兩艘探測器。一艘用於測量小行星的相關數據，一艘用於試探性地小幅度改變其軌道。如果小行星會在兩到五年內通過引力鎖眼，那麼我們也許有時間來發射一艘探測器用於測量任務，從而在發射撞擊器改變小行星的軌道前調整大型發射體的參數。柏相旭表示，如果小行星阿波菲斯在一年或更短的時間之內來襲地球，那一切的工作都太遲了。

柏相旭還說道，「即便是最重要的撞擊器也有可能在這段時間裡到達不了小行星。」

貝努就是一個相似的例子，因為科學家們對其物質構成了解得稍多一些，所以在發射撞擊器之前發射探測器或許並不是一件必要的事情。

在團隊的模擬工具的幫助下，柏相旭計劃在未來對其他方案的成功機率進行評估。

柏相旭還說道，「除了改變發射體的大小之外，我們還可以改變發射的次數，並且發射多艘小型飛船逐一與小行星進行碰撞。我們也可以從月球上發射撞擊器，或者直接將報廢的衛星用作動力撞擊器。我們已經開發出了一種用於制定相關方案的決策圖。」