如果又有小行星撞击地球,我们该怎么办?

[ 录入者:zhangms | 时间:2017-05-26 13:15:40 | 作者:王善钦 | 来源:新浪科技 | 浏览:1162次 ]

来源:赛先生公众号

小行星撞击地球,轻则引起小范围伤亡,重则引发上千万人口死亡与大规模物种灭绝。那么,小行星撞击地球是否遵循一定的规律,其活动性是否存在一定的周期?人类如何提前发现那些会撞击地球的小行星?在发现它们后,我们又该怎么办?

这是赛先生2017科普创作协同行动的第18篇文章。

题图:位于夏威夷群岛第二大岛毛伊岛海勒卡拉山上的全景式巡天望远镜和快速反应系统(the Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System,简称“Pan-STARRS”或者“PS”)的前两台望远镜:PS1与PS2。这个望远镜系统的主要任务是监测那些可能撞击到地球的小行星与彗星。(图片来源:http://pswww.ifa.hawaii.edu)

撰文 王善钦(加州大学伯克利分校天文系)

编辑 丁家琦

小行星(与彗星,以下统称为“小行星”)撞地球,始终是人类生存的一大威胁。许多人认为6600万年前恐龙灭绝与小行星撞地球有着直接的关系,那次撞击发生于墨西哥湾C型海岸线的末端。

图左:6600万年前的一颗小行星撞击墨西哥的艺术想象图(来源:David A。 Hardy);图右:位于墨西哥的Chicxulub 陨石坑(图中圆圈)。许多人认为 6600 万年前的一颗小行星在撞击出这个陨石坑之后,灭绝了恐龙。(来源:youngzine.org)

2013年2月15日,一颗直径仅仅15米的陨石在俄罗斯车里雅宾斯克市上空破碎坠地,导致1千多人受伤。据科学家的估算,那些直径约1千米的小行星以每秒几十千米的速度撞击地球,产生猛烈冲击波、热浪与可能伴随的海啸或地震可能导致局部地区死亡上千万人口,而每隔几千年这样的爆炸就会发生一次。更大的小行星更加危险。只不过大部分撞击发生于遥远的大洋之中,才让人类多次幸免于难。

这些不受欢迎的不速之客威胁着人类的生存与发展。那么,小行星撞击地球的行为有规律可循吗?如果又有小行星撞击地球,我们该怎么办?

小行星撞击地球的行为有规律可循吗?

我们先讨论第一个问题:小行星撞击地球的行为有规律可循吗?这个问题非常重要:如果有规律可循,我们就可以提前预知下次撞击的时间,做好充分准备。

学术界长期存在一个看法:小行星撞击地球是一个周期性行为,每2600万年出现一次爆发性的频繁撞击事件。有些人进一步提出,这是因为太阳有一个难以看到的伴星,每隔2600万年就扰动太阳系外围的奥尔特云,导致大量岩石天体落向太阳系中心,从而导致有些天体撞击到地球。

这个想法源于1984年2月Raup与Sepkoski在美国国家科学院院刊(PNAS)发表的一篇论文,此文认为地球上每隔大约 2600 万年就有一次大规模的物种灭绝。

同年4月,《自然》(Nature)杂志的同一期出现了两篇论文,一篇是路易斯安那大学拉法叶分校的Whitmire与计算机科学公司的Jackson所写[1];另一篇是加州大学伯克利分校的Alvarez与Muller所写[2]

2016年青年冬奥会上捷克双人滑组合Anna Duskova与Martin Bidar的双人联合旋转(图片来源:Clément Bucco-Lechat/CC BY-SA 4.0 International)

这两篇论文都提出一个假设:太阳与一颗伴星构成双星系统,二者绕着共同的中心公转(如同上图中的花样滑冰的男女运动员在场地共同旋转)。前一篇论文认为这颗伴星是褐矮星,后一篇论文认为伴星是红矮星。根据这个假设,每隔2600万年,太阳的这颗伴星穿过太阳系外围的奥尔特云,巨大的引力摇动了其中的大量星体,这些星体飞向地球,其中个别成员撞击地球,造成了大规模的物种灭绝。这颗恒星被命名为“Nemesis”,这是希腊神话中的复仇女神,因此这个星体也被称为“复仇女神”。 这个假设中的伴星与太阳最近时只有1光年,最远时也才3光年(见下图),比至今为止被发现的距离地球最近的恒星——比邻星——还近,比邻星距离地球约4.25光年。

假想中与太阳(SUN)一起构成双星系统的“复仇女神(NEMESIS)”,图中×代表这个系统的质心(共同的质量中心)的位置。最下方是太阳、“复仇女神”、比邻星三者的位置比较,太阳与假想中的“复仇女神”最近时的距离为1光年,最远时距离3光年。(图片来源:Richard  A。 Muller)

不过,这个“复仇女神”很可能根本不存在。如果它是一颗红矮星,此前的光学望远镜足以发现它;如果它是褐矮星,最近几年运行的宽场红外红外巡天探测器(Wide-field Infrared Survey Explorer,WISE)也足以发现它,因为WISE可以观测到10光年以内温度低到150开尔文(零下120多摄氏度)的褐矮星。但光学望远镜和WISE都没有发现它。所以,2011年,NASA在近地天体风险评估方面的资深科学家Morrison 撰文否定了“复仇女神”以及类似天体的存在性。

不过,即使否决了“复仇女神”的存在,2600万年的灭绝周期似乎还是客观存在的,而且也很可能与小行星撞击有关。这方面最近的一个结果是纽约大学生物系的Rampino与斯坦福大学卡内基科学研究所的Caldeira二人做的,他们分析了过去2.6亿年中的撞击陨石坑,认为确实存在2600万年的周期规律,文章于2015年底发表于《皇家天文学会月刊》(MNRAS)第454卷[3]

如果(小行星撞击地球导致的)大灭绝事件确实以2600万年为周期,那么下一次大撞击将发生于大约1000万年之后,人类在整整1000万年之间还不用担心大灭绝,而到1000万年之后,人类(如果还没有被内斗玩到灭绝)的科技水平肯定足以在小行星撞过来之前将其摧毁。

然而,今年(2017年)1月,苏黎世联邦理工学院地球化学与岩石学研究所的Meier与隆德大学地质系的Holm-Alwmark 发表在《皇家天文学会月刊》第467卷的一项研究将这个稍显美好的假设给推翻了[4]

Meier与Holm-Alwmark分析了过去5亿年内形成的、可以精确确定撞击时间的撞击陨石坑,他们采用分析了过去的数据,发现了此前的研究对陨石坑的产生时间有错误,最终他们得到了一个列表,包含了26个陨石坑的精确纪元,误差在百分之一之内。这些陨石坑除了三个直径在10公里内(分别为2、4、8公里)之外,其余的直径都在10公里以上,最大的直径达到300公里。去除那些超过5亿年的4个,剩下的22个中最大的就是被视为灭绝恐龙的小行星撞击出的Chicxulub 陨石坑,其直径为170公里。

根据作者们的表格,这些在5亿年内形成的陨石坑产生的时间与现在的时间间隔由近到远分别为:14.83、30.0、35.67、50.37、65.82、66.07、76.20、145.2、193.8、202.7、214.56、227.8、231.0、254.7、286.2、380.9、395、461、461、462、465、485.5(单位:百万年)。因此,仅仅一部分陨石坑的形成时间符合2600万年(26百万年)的周期性,更多的陨石坑的形成时间不符合这种周期性。

此外,Meier与Holm-Alwmark还发现,这些事件中的一些时间有“结团性”,即,它们几乎在同一时期发生。比如处于墨西哥的Chicxulub 陨石坑发生于 6607万年前,而位于乌克兰的Boltysh 陨石坑发生于6582万年前,二者几乎在同一时期产生,中间值相差仅约 25 万年。此外,2.29亿年前后有两次重叠,相差仅约300万年;4.62亿年前后有四次重叠,相差不到400万年,显然都远小于2600万年的周期。此前的研究者忽略了这种“同一时期产生多个事件”的情况,这是他们得到周期性的错误结果的原因之一。

Meier与Holm-Alwmark的研究意味着,小行星撞击地球的方式并不是周期性的,而是随机发生的。我们原本可以指望人类在1000万年后再遭遇小行星,将其当靶子打着玩,但现在看来,没有指望了。也许它们几百年后就会来——谁也说不准。

如何监测四处乱飞的小行星

既然无法指望小行星一千万以后再来撞击地球,而且它们的到来毫无规律,那么,我们要做的就是监测所有可能威胁到地球的小行星。这些小行星四处乱飞,有些在过去一些年里已经与地球擦肩而过。

那么,人类如何监测这些到处乱飞、可能砸到地球的小行星?对于那些比较大(直径超过1千米)的小行星,天文学家早已使用多个望远镜进行监测。而对于那些直径为几十米到几百米的小行星,天文学家专门部署了一个大杀器:全景式巡天望远镜和快速反应系统,英文全称是the Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System,简称“Pan-STARRS”,进一步被简称为“PS”。为了简洁,下面直接简称这个系统为“PS望远镜系统”。

PS望远镜系统由美国空军资助,夏威夷大学天文研究所发展、管理、操作,来自6个国家的14个机构参与,首席科学家是Kaiser。这个系统的第一个望远镜(简称“Pan-STARRS1”或“PS1”)于2008年底安装完毕,位于夏威夷州毛伊岛(夏威夷群岛中的第二大岛)的海勒卡拉山上。它于2009年3月正式运行,2010年5月13日开始全时段的科学观测。现在该系统已经建成两个望远镜(PS1与PS2)。

全景式巡天望远镜和快速反应系统(the Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System)的一台望远镜的圆顶与其内部的望远镜。(来源:Jeff Valenti)

PS望远镜系统的功能非常强大,虽然它所用的望远镜口径只有1.8米,属于中小型光学望远镜,但其相机的CCD(负责感光,并将影像转化为数字信号的元件)像素高达14亿,是当今世界像素最高的CCD,作为对比,我们所用的手机相机的像素一般是1000万左右。PS望远镜系统全部建成后,有4个望远镜。该系统每晚巡天面积可以达到6000平方度,夏威夷可以看到的天区是3万平方度(整个天区的面积是41253平方度),四五个晚上就可以扫完这些天区。

PS望远镜系统不仅可以观测太阳系内部暗淡的小行星,还可以观测其他天体物理现象,比如变星以及非常遥远(上百亿光年远)的超新星。但对于人类安危来说,这个系统最重要的功能当然依然是观测太阳系内的小天体。由于它无比灵敏的CCD,它可以发现其他所有望远镜无法发现的暗淡天体,并将那些可能危及地球的天体登记在册,不断监测。它可以监控未来几十年内可能靠近地球的危险小行星的运动,及时预警,让人类做好准备。

在2010年开始观测后不久,PS望远镜系统就于9月16日发现了一个可能威胁到地球的、直径几十米的小行星,研究人员将其命名为“2010 ST3”,它于10月份掠过地球附近,距离地球约644万公里,这个距离是地球半径(约6400公里)的1000倍。当时,其他所有望远镜都没有发现这个天体。因此,这次发现测验了PS对危险天体独一无二的监测能力。

2010年9月16日晚,PS1相隔15分钟拍摄的2010 ST3小行星的两张照片(来源:PS1团队)

早期的PS望远镜系统每年可能发现数万颗小行星,在4台望远镜全部安装启动后(完全版PS),每年可以发现的小行星将更多。

如果小行星扑面而来,我们该怎么办?

如果PS望远镜系统以及将来的其他类似系统监测的某些小行星恰好能够击中地球,那我们该怎么办?对于这类最危险的小行星,人类的首选方法只有两个:毁灭它们,或者改变它们的轨道,使它们无法击中地球。

监测系统只能监测小行星,无法毁灭小行星,也无法改变小行星的轨道,执行毁灭或者变轨任务的只能是其他相关机构,比如各大国军队与各国的航天局(如NASA、ESA以及中国的航天机构)合作,将核武器甚至在未来开发出的更强大的武器发射到太空,炸毁危险的小行星,或者通过轰炸或推动,使其改变轨道。这样的任务在不远的将来是可以完成的。 

我们还要考虑更严重的问题:如果被监测到的最危险小行星太大或者太快而无法炸毁或者驱赶走,或者相应的任务出现偏差甚至失败(比如巨型炸弹没有击中小行星),那么我们该怎么办?此外,监测系统并不能确保将所有危险小行星都及时监测到,总有漏网之鱼在很接近地球时才被发现,像埋伏的敌人一样突然出现,人类来不及采取炸毁或者驱赶措施,那又该怎么办?

这个时候,就只能立即将可能被击中与波及的地区的所有人转移到其他地方。当然,具体情况还要具体分析。比如,如果小行星坠落在大洋正中央,那可能只是引发局部海域巨浪滔天,对陆地影响很小,基本上不用转移人群(除非特别特别大的小行星以特别大的速度撞击)。如果落在距离海岸线不远的海洋里,就可能引起海啸,淹没沿海城市乡镇,这种情况下,就必须提前撤离海边人群。如果落在陆地上,那就会引起冲击波、热浪、地震、大火、浓烟,这种情况下,就必须提前撤离当地以及附近的人员。当然,如果被撞击的地方以及附近是无人区,那自然不用撤离。

如果来不及撤离,那就只能躲进事先建设好的防空洞或者坑道系统。因此,“深挖洞、广积粮”这个策略其实还没有过时,也绝不仅仅是用来防止核武器与常规空袭的手段。

较大的小行星撞击到地球陆地,不仅会造成地面建筑被大规模破坏,产生可能的伤亡(因为总可能有来不及撤离的人),还会产生大量的烟尘,遮天蔽日,甚至造成气候变化。这种情况下,人类还必须启动人工除尘的行动,尽快消灭尘埃云。

总结

小行星撞击地球,并无规律可循,更不存在固定的周期。人类对于这类天降横祸,第一层保护网是用先进技术手段监测,第二层保护网是动用毁灭手段与驱赶方法,消除威胁。在最坏的情况下,还要做好小行星撞击地球的精确地点的测算与人群大规模转移工程,这是构建保护网的第三层系统。至于撞击后恢复环境与重建家园的行动,则属于善后。

所有这些问题,都应该引起各国政府的高度重视,开启监测系统还只是第一步。人类发展大量威力巨大的武器,绝不应该用以彼此屠杀,而应该用来保护当前人类的唯一家园——地球。

随着人类科技的不断发展,人类在监测、摧毁、驱赶危险小行星方面的能力也将稳步提高。应对极个别小行星撞击事件的能力也必然提高。将来太空技术发达之后,人类有可能在太空中进行“炸毁小行星”的军事演习。

科学家与工程师们有信心在不远的未来就有能力使人类免于小行星撞击之难。

后记:

以前总有朋友问我研究天文有什么用?一开始我会回答说:“没有实际用途,纯理论的研究,或者满足好奇心的观测研究。”这样的回答总会让朋友失望。后来我会这么回答:“天文学研究过程中开发出的各种技术,可以在未来用于监测那些撞向地球的小行星,然后下指令摧毁它们,避免人类被毁灭。所以看上去天文学没有什么用,但是用得上的时候对人类最有用。”于是提问者顿时对天文学家肃然起敬。

附录:

 [1] Whitmire, D。 P。 & Jackson, A。 A。 Nature 308, 713 - 715 (1984)

 [2] Alvarez, W。 & Muller, R。 A。 Nature 308, 713 - 715 (1984)

 [3] Rapino, M。 R。 & Caldeira, K。 MNRAS 454, 3480–3484 (2015)

 [4] Meier, M。 M。 M。 & Holm-Alwmark, S。 MNRAS 467, 2545–2551 (2017)

 

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