據(jù)天文學(xué)觀測預(yù)測到2029年4月13日，一顆比埃菲爾鐵塔還寬的冰塊太空巖石，將以每秒30公里的速度掠過地球，這將是未來十年中最大小行星穿越地球軌道最近的一次。

對這顆被稱為“阿波菲斯99942”小行星（埃及混沌之神的名字）的觀測曾表明，在2029年的飛越將把它帶過一個引力鑰匙孔，這是地球引力場中的一個位置，會拉動小行星的軌道。

這樣在2036年的下一次飛越時，這顆小行星可能會產(chǎn)生毀滅性的影響，值得慶幸的是，新的觀測證實，這顆小行星將在2029年和2036年毫無意外地飛掠地球上空。然而，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，如果小行星曾與我們的地球發(fā)生碰撞，現(xiàn)在考慮讓小行星偏轉(zhuǎn)的策略永遠(yuǎn)不會為時過早?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計了一個框架，用來決定哪種類型最能成功地讓即將到來的小行星軌道偏轉(zhuǎn)。

研究方法考慮了小行星的質(zhì)量和動量，小行星與引力鑰匙孔的距離，以及科學(xué)家對即將發(fā)生的碰撞預(yù)警時間，所有這些都有一定程度的不確定性，研究人員也將這些因素考慮在內(nèi)，以確定給定小行星最成功的任務(wù)。研究人員將方法應(yīng)用于阿波菲斯和本努小行星，這是另一顆近地小行星，也是OSIRIS-Rex的目標(biāo)，OSIRIS-Rex是美國國家航空航天局(NASA)的一項行動任務(wù)。

計劃在2023年將本努的表面材料樣本送回地球。REXIS是由麻省理工學(xué)院設(shè)計和制造的儀器，也是這項任務(wù)的一部分，其任務(wù)是表征小行星地表豐富的化學(xué)元素。在發(fā)表在《宇航學(xué)報》(Acta Astronautica)上的一篇研究論文中，研究人員利用他們的決策地圖，列出了在小行星可能朝向引力鑰匙孔的各種情況下，最可能成功偏離阿波菲斯和本努小行星的任務(wù)類型。

用核彈去炸？

這種方法可以用來設(shè)計最優(yōu)的任務(wù)配置和活動，以轉(zhuǎn)移潛在危險的近地小行星。這項研究的主要作者、麻省理工學(xué)院航空航天系前研究生Sung Wook Paek表示：當(dāng)小行星已經(jīng)穿過一個引力鑰匙孔，即將與地球相撞時，人們大多會在最后一刻考慮偏轉(zhuǎn)的策略，我感興趣的是，早在地球撞擊之前就阻止鑰匙孔通過，這就像是先發(fā)制人的打擊，沒有那么混亂。Paek在麻省理工學(xué)院的合著者有Olivier de Weck, Jeffrey Hoffman, Richard Binzel和David Miller。

2007年，美國國家航空航天局(NASA)在提交給美國國會的一份報告中得出結(jié)論：如果小行星朝向地球，最有效的偏轉(zhuǎn)方法是向太空發(fā)射核彈，它引爆的力量將把小行星炸開，盡管屆時地球?qū)⒉坏貌慌c任何核輻射作斗爭。使用核武器來減輕小行星的撞擊，在行星防御界仍然是一個有爭議的問題。第二個最好的選擇是發(fā)射一個“動能撞擊器”--航天器、火箭或其他拋射物，如果瞄準(zhǔn)的方向正確，速度足夠快，就會與小行星相撞，轉(zhuǎn)移一部分動量，使其偏離軌道。

偏轉(zhuǎn)星球“殺手”的軌道

基本的物理原理有點像打臺球，然而，航空航天和工程系統(tǒng)教授德韋克說：要想讓任何動力撞擊器取得成功，小行星的性質(zhì)，如質(zhì)量、動量、軌道和表面成分，必須“盡可能準(zhǔn)確地”知道。這意味著，在設(shè)計偏轉(zhuǎn)任務(wù)時，科學(xué)家和任務(wù)管理人員需要考慮不確定性。任務(wù)成功的可能性是99.9%還是只有90%，這重要嗎？當(dāng)涉及到偏轉(zhuǎn)潛在的行星殺手時，你可以打賭它是重要的。因此，在根據(jù)不確定性水平設(shè)計任務(wù)時，我們必須更加聰明，以前從來沒有人以這種方式看待這個問題。

研究人員開發(fā)了一種模擬代碼，以確定在給定小行星的一組不確定屬性情況下，最有可能成功的小行星偏轉(zhuǎn)任務(wù)類型?？紤]的任務(wù)包括一個基本動能沖擊器，在這個裝置中，投射物被發(fā)射到太空中，以推動小行星偏離軌道。其他變化包括派遣偵察員首先測量小行星，以確定后面發(fā)射拋射物的規(guī)格，或者派遣兩顆偵察衛(wèi)星，一顆測量小行星，另一顆將小行星略微推離軌道，然后發(fā)射更大的炮彈，使小行星幾乎肯定會與地球擦肩而過。

關(guān)閉引力鑰匙孔

研究人員將特定的變量，如小行星的質(zhì)量、動量和軌道，以及這些變量中每個變量的不確定性范圍，輸入到模擬中。最重要的是，考慮了小行星與引力鑰匙孔的距離，以及科學(xué)家們在小行星穿過鑰匙孔之前的時間。這個引力鑰匙孔就像一扇門，一旦它打開，小行星很快就會撞上地球，概率很高。研究人員在阿波菲斯和本努小行星上測試了模擬，這兩顆小行星是為數(shù)不多幾顆小行星中的兩顆，它們的引力鑰匙孔相對于地球位置是已知的。

研究模擬了每顆小行星和它們各自引力鑰匙孔之間的不同距離，并為每一距離計算出一個小行星必須偏轉(zhuǎn)的“安全港”區(qū)域，以便它既能避免與地球相撞，又能避免穿過附近的任何其他鑰匙孔。然后評估了三種主要任務(wù)類型中哪一種最能成功地將小行星偏轉(zhuǎn)到安全的港口，這取決于科學(xué)家必須準(zhǔn)備的時間。例如，如果阿波菲斯將在五年或更長時間內(nèi)通過鑰匙孔。

那么在發(fā)送主要撞擊器之前，就有足夠的時間派出兩顆偵衛(wèi)星，一顆測量小行星的大小尺寸，另一顆測量小行星稍微偏離軌道。如果在兩到五年內(nèi)出現(xiàn)鑰匙孔通道，可能有時間派出一顆偵察衛(wèi)星測量小行星，并調(diào)整更大射彈的參數(shù)，然后再將沖擊器送上去改變小行星的方向。如果阿波菲斯在一地球年或更短的時間內(nèi)通過它的鑰匙孔，可能就太晚了。即使是主要的撞擊器也可能不能在這個時間范圍內(nèi)到達(dá)小行星。

本努小行星也是一個類似的例子，盡管科學(xué)家們對它的材料成分了解得更多一些，這意味著在發(fā)射炮彈之前可能沒有必要派遣觀測衛(wèi)星。有了研究新模擬工具，研究團(tuán)隊計劃在未來評估其他偏轉(zhuǎn)任務(wù)的成功。我們可以改變發(fā)射的次數(shù)，發(fā)射多個較小的宇宙飛船，逐個與小行星相撞，或者可以從月球發(fā)射，或者也可以使用報廢的衛(wèi)星作為動能撞擊器，研究已經(jīng)創(chuàng)建了一張決策地圖，可以幫助我們構(gòu)建一個任務(wù)的原型。

博科園｜研究/來自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《宇航學(xué)報》

DOI: 10.1016/j.actaastro.2019.10.042

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