13.2：小行星和行星防御
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 认识近地天体对地球构成的威胁
- 讨论可能的防御策略来保护我们的星球
并非所有小行星都在主小行星带中。 在本节中，我们将考虑一些特殊的小行星组，其轨道接近或穿过地球轨道。 它们有可能与我们的星球发生灾难性碰撞，例如6500万年前杀死恐龙的碰撞。
接近地球的小行星
天文学家对远离主带的小行星最感兴趣。 但是，进入内侧的小行星，尤其是那些轨道接近或穿过地球轨道的小行星，会引起政治领导人、军事策划者——事实上，地球上所有活着的小行星都感兴趣。 其中一些小行星短暂地成为离我们最近的天体。
1994年，一个1千米长的物体被捡起，经过比月球更近，引起了新闻媒体的兴趣。 如今，读到小型小行星离地球这么近已是例行公事。 （它们一直存在，但直到最近几年，天文学家才能够探测到如此微弱的天体。）
2013 年，一颗小型小行星撞击了我们的星球，在俄罗斯城市车里雅宾斯克上空飞行，并以核弹的能量爆炸（图\(\PageIndex{1}\)）。 撞击物是一个直径约20米的石质物体，爆炸高度约为30公里，能量为500千吨（比第二次世界大战期间投向日本的核弹大约30倍）。 没有人因爆炸本身而受伤，尽管它短暂地变得像太阳一样明亮，吸引了许多观众到办公室和家中的窗户前。 当爆炸产生的爆炸波随后到达城镇时，它炸毁了窗户。 大约有1500人因玻璃碎片受伤而不得不寻求医疗救助。
1908 年，俄罗斯发生了一次更大规模的大气爆炸，由一颗直径约 40 米的小行星引起，释放出 5 兆吨的能量，相当于当今最强大的核武器。 幸运的是，直接受影响的西伯利亚通古斯卡河上的人口稀少，没有人丧生。 但是，被爆炸摧毁的森林面积相当于一个大城市的面积（图\(\PageIndex{1}\)）。
与任何接近我们星球的彗星一样，此类小行星统称为近地天体（NEO）。 正如我们将看到的（以及恐龙在6500万年前发现的那样），一个大小近地天体的碰撞可能对我们星球上的生命造成灾难。
观看 2013 年 2 月 15 日车里雅宾斯克流星在城市上空裸奔的视频汇编，该流星是该流星发生时在该地区拍摄的。
观看大卫·莫里森的非技术演讲视频，观看 “车里雅宾斯克流星：我们能否在更大的冲击中幸存下来？” 莫里森博士（SETI Institute 和 NASA Ames 研究中心）讨论了车里雅宾斯克的撞击以及我们如何了解近地天体和保护自己；演讲来自硅谷天文学讲座系列。
天文学家敦促保护地球免受近地天体未来撞击的第一步必须是了解那里有哪些潜在的撞击物。 1998 年，美国宇航局开始了 Spaceguard Survey，目标是发现和跟踪 90% 直径大于 1 千米的接近地球的小行星。 选择1千米的大小是为了包括所有能够造成全球伤害的小行星，而不仅仅是局部或区域影响。 在 1 公里或更大时，撞击可能会将大量灰尘吹入大气层，以至于阳光会变暗数月，从而导致全球农作物歉收，这一事件可能威胁到我们文明的生存。 2012 年实现了 90% 的太空护卫目标，当时发现了将近一千个 1 千米的近地小行星 (NE A)，以及 10,000 多颗较小的小行星。 该图\(\PageIndex{2}\)显示了近年来NEA发现的步伐如何加快。
当天文学家发现了 90% 的小行星时，他们是怎么知道的？ 有几种方法可以估计总数，甚至在它们被单独定位之前。 一种方法是查看黑暗的月球玛丽亚上大型陨石坑的数量。 请记住，就像我们正在考虑的那样，这些陨石坑是由撞击造成的。 它们保存在月球的无气表面，而地球很快就会抹去过去撞击的印记。 因此，月球上大型陨石坑的数量使我们能够估计过去几十亿年来撞击月球和地球的频率。 撞击次数与穿越地球轨道上的小行星和彗星的数量直接相关。
另一种方法是查看调查（自动搜索在恒星之间移动的微弱光点）重新发现以前已知的小行星的频率。 在调查开始时，它发现的所有近地天体都将是新的。 但是随着调查变得越来越完整，测量摄像机记录的移动点将越来越多地被重新发现。 每次调查经历的重新发现越多，我们对这些小行星的库存就越完整。
我们欣慰地发现，迄今为止发现的近地天体都没有在可预见的将来撞击地球的轨道上。 但是，我们不能说尚未发现的少数大于1公里的小行星，也不能说更多小行星。 据估计，有100万个近地天体能够撞击地球，这些近地小于1千米但仍然足够大，足以摧毁一座城市，而我们的调查发现其中不到10％。 研究小行星轨道的研究人员估计，对于我们尚未追踪的较小（因此也更微弱）的小行星，我们将收到大约5秒钟的警告，告知一颗小行星将撞击地球——换句话说，在它进入大气层之前我们看不见它。 显然，这一估计使我们有很大的动力继续进行这些调查，以追踪尽可能多的小行星。
尽管在几个世纪的时间里完全可以预测，但接近地球的小行星的轨道在很长一段时间内是不稳定的，因为它们受到行星的引力吸引力的拉动。 这些天体最终将遇到两种命运之一：要么撞击其中一颗地球行星或太阳，要么由于与行星的近距离相遇而被引力弹出太阳系内部。 这两个结果的概率大致相同。 撞击或弹射的时间表只有大约一亿年，与太阳系40亿年的寿命相比非常短。 计算表明，目前接近地球的小行星中只有大约四分之一最终会与地球本身碰撞。
如果目前接近地球的小行星中的大多数将在一亿年后通过撞击或弹射被移走，那么就必须有持续的新天体来源来补充我们的近地天体供应。 其中大多数来自火星和木星之间的小行星带，小行星之间的碰撞可以将碎片射入穿越地球的轨道（见图\(\PageIndex{3}\)）。 其他可能是 “死” 彗星，它们已经耗尽了挥发性物质（我们将在下一节中讨论）。
科学家对近地天体的成分和内部结构感兴趣的原因之一是，总有一天人类可能需要保护自己免受小行星撞击。 如果我们在与我们的碰撞路线上发现了其中一颗小行星，我们需要将其偏转，这样它就会错过地球。 最直接的偏转方法是将航天器撞向它，要么减慢航天器的速度，要么加快速度，稍微改变其轨道周期。 如果在预计的碰撞发生前几年这样做，小行星将完全错过地球，这使得小行星撞击成为我们可以通过应用技术完全消除的唯一自然灾害。 或者，这种偏转可以通过在小行星附近爆炸一枚核弹将其推离航线来实现。
要通过任何一种技术成功实现偏转，我们需要更多地了解小行星的密度和内部结构。 航天器撞击或附近的爆炸对像爱神这样的坚固岩石小行星的影响要比对松散的瓦砾堆的影响更大。 想想爬沙丘与攀登相同斜坡的岩石山丘相比。 在沙丘上，我们的大部分能量都被滑落的沙子吸收，因此攀登要困难得多，消耗的能量也更多。
国际上对小行星撞击问题的兴趣与日俱增。 联合国认识到整个星球都面临小行星撞击的危险，成立了两个行星防御技术委员会。 但是，根本问题仍然是及时找到近地天体以便采取防御措施。 我们必须能够在下一个撞击物找到我们之前找到它。 这是天文学家的工作。
关键概念和摘要
近地小行星（NEA）和一般的近地天体（NEO）之所以引起人们的兴趣，部分原因是它们有可能撞击地球。 它们处于不稳定的轨道上，在1亿年的时间尺度上，它们要么撞击其中一个地球行星或太阳，要么被弹出。 其中大多数可能来自小行星带，但有些可能是死亡彗星。 美国宇航局的太空护卫调查发现，90％的近地天体大于1公里，到目前为止发现的近地天体都没有与地球发生碰撞。 科学家们正在积极研究可能的行星防御技术，以防提前几年发现任何近地天体与地球发生碰撞。 目前，最重要的任务是继续我们的调查，这样我们就可以在下一个地球撞击物找到我们之前找到它。
词汇表
- 近地天体 (NEO)
- 路径与地球轨道相交的彗星或小行星
- 近地小行星 (NEA)
- 一颗接近地球的小行星，它的轨道可能会使其与我们的星球发生碰撞