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太空哨兵
2018-01-03 15:06
原创  Ieee Spectrum
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人类所处的宇宙空间就像一个巨大的射击场。为了证实这一点,我们不妨回顾一下2013年2月15日发生的事件。专家预计,一颗中等大小的小行星会于那一天在距离地球大约2.8万公里的地方经过。这一距离已经非常近,小行星完全位于对地静止卫星轨道范围内。这颗被命名为2012 DA14的小行星在2012年首次被发现。在此之后,天文学家们一直翘首以待,希望借此机会开展更近距离的观测,测量这颗小行星的大小、形状和构成等重要特性。然而,就在天文学家们架好望远镜准备迎接这颗小行星的时候,却来了另外一位“不速之客”,让他们大跌眼镜。15日上午,一个此前不为人知的太空碎片冲入了地球的大气层,在天空中飞速划过,最终在俄罗斯的车里雅宾斯克坠落。伴随着亮度甚至超过太阳的瞬间耀眼闪光,这块陨石发生了爆炸,其威力相当于50万吨TNT炸药。爆炸产生的冲击波掀翻了屋顶,推倒了围墙,震碎了上千块窗户玻璃,超过1500人在爆炸中受伤,其中多为碎玻璃所伤。

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人们为何未能预见这位“不速之客”的到来呢?通过仔细查看车载摄像头和楼宇监控系统拍摄到的视频,科学家们最终重建出了这颗小行星从进入大气层到最终坠落的整个详细过程。小行星自地球的向阳侧坠落,这意味着在它最终接近地球时,我们无法在夜空中观测到它的影踪。而对其爆炸能量的分析结果显示,这颗天外不速之客的直径为19米左右,如此小的太空碎片,即使在入夜后能够显现,人们也很难观测到它。

幸运的是,这只是一颗较小的小行星。如果它像2012 DA14那样大(直径约为30米),天文学家可能依然发现不了,那么它对地球的撞击会产生更具灾难性的后果。

好消息是,这样的事件将不再让我们措手不及。非营利性行星防御团体B612基金会的前宇航员和科学家团队与鲍尔航空航天技术公司的工程师们共同设计了一款名为“哨兵”的太空望远镜,旨在提前发现那些可能会对地球构成撞击危险的小行星。

“哨兵”是首款专门用于搜寻小行星的太空望远镜。在未来6年半的运行期内,“哨兵”望远镜预计能够侦察到超过50万个在地球附近沿轨道运行的物体,这将是目前已经发现的近地运行物体数量的十几倍之多。如此之快的探测速度不仅可以及时发现地球可能会面临的严重威胁,而且还可以给人们留出足够多的准备时间去应对这些威胁。

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小行星是由岩石构成的小型物体,即行星形成过程中残余的碎石。大部分小行星在火星和木星之间的主小行星带内绕太阳运行。这个带状区域内存在着数百万计的小行星,它们的存在时间甚至可以追溯到40亿年前太阳系形成之初。由于与木星、其他行星以及彼此间的引力碰撞,一小部分小行星的运行轨道发生了偏移,进入了内太阳系,因此有可能经过离地球较近的区域——甚至有可能与地球相撞。

这些方向不定的小行星通常被称为近地物体(NEO),该术语的描述对象也包括偶尔出现的近地彗星。在过去几十年间,天文学家曾探测到一万两千多颗NEO。但考虑到较低的再次发现率(即我们不断重新观测到同一个物体的频率),我们推测还有大量的NEO未被发现。如果所有NEO都已被发现,那我们之后所观测到的应该就是已经发现的那些;而实际情况却是不断有新的NEO出现在我们的观测统计中。

相对较小的物体占到了NEO大家庭的绝大部分。考虑到人们目前观测结果的不完整性,其数量尚无法确定。然而我们可以作出合理预期的是,直径超过20米(大约相当于一节火车车厢的长度)的NEO数量要超过100万,而直径在1千米以上的NEO数量则不到1000颗。

然而,即使是一颗较小的NEO,若其坠落的地方恰巧是人类聚居区,也会造成毁灭性的生命和财产损失。一颗直径为30米的小行星在太空疾速飞行时所携带的动能当量大约等同于300万吨TNT炸药,其威力是投放在广岛的那颗原子弹的数百倍。这些能量究竟以何种形式释放取决于多个因素,其中包括小行星的成分和撞击角度。

来自小行星的撞击不仅仅是一个需要在理论上关注的问题:已经有大量的证据证明地球过去曾遭受过多次撞击,而且未来还有可能再次经历。20世纪60年代,天文学家兼地质学家尤金•舒梅克(Eugene Shoemaker)证实了位于亚利桑那州、已有5万年历史的巴林杰陨石坑是因小行星撞击而形成。如今,已严重腐蚀的墨西哥希克苏鲁伯陨石坑被公认是因一颗直径10千米的小行星或彗星与地球猛烈相撞而形成的,撞击发生在大约在6500万年前。那次撞击简直天昏地暗,并且长久以来都被认为是导致恐龙灭绝的主要原因。

撞击事件并非只发生在远古时代。1908年,一颗直径约为40米的物体在俄罗斯西伯利亚地区的通古斯上空爆炸,将数千平方公里的森林夷为平地,大约有8000万棵树木被摧毁。近期,(本用于监测核试验的)次声探测器的全球网络收集到的数据显示,每年都会有数十颗体积较小的小行星进入地球大气层并在空中爆炸。

根据过去的地质记录以及我们对于NEO家族的了解,发生灾难性撞击事件的可能性还是比较低的。通古斯规模的撞击事件可能几个世纪才会发生一次。发生类似于导致恐龙灭绝的、直径10千米的物体与地球撞击的事件的概率非常低,大约为1亿年一次。

当然,这些只是平均的概率。下一颗具有夷平整座城市能量的小行星可能在未来数百年都不会撞到地球,但也有可能在明天就会到来。我们唯一可以确定的是,未来将会发生多次撞击。

然而,只要预警时间足够提前,我们应该是能够保护自己的。长期以来,最具戏剧性也最为有效的保护方案似乎就是核爆炸:在小行星附近引爆一颗原子弹,这样便可以产生足够的压力迫使小行星偏离原来的轨道,同时又不会将其炸成多块会对地球造成威胁的碎片。

2002年,宇航员卢杰和拉塞尔•施威卡特(Rusty Schweickart),以及行星科学家克拉克•查普曼(Clark Chapman)和天体物理学家皮特•赫特(Piet Hut)共同携手探索其他能够迫使危险小行星改变轨道或将其摧毁的途径——当然,前提是能够发现这样的小行星。至2010年,B612基金会(以安东尼•德•圣•埃克苏佩里所著《小王子》一书中主人公居住的小行星命名)和其他太空研究团体确定了若干项可行办法,力图有效改变大多数小行星(不包括很大体积的那种)的预定轨道。

由卢杰和他的宇航员同事斯坦•勒夫(Stan Love)设计的一种选择方案被称为“重力拖拉机”。该方案利用的是悬停的航天器与有可能撞击地球的小行星之间较小的万有引力。在时间足够长的情况下,航天器的牵引力可以使小行星的运行轨道产生偏移,从而使小行星比地球稍早或稍晚运行至可能会发生撞击的位置。另外一种可行方案是在高速碰撞路线上发射一艘非载人自动飞船,将飞船的巨大动量转移给小行星。与向太空发射核武器相比,这些方法均是颇具吸引力的可选方案。但唯一的问题是,由于这些轨道偏离措施所能产生的速度变化很小,所以在预计撞击日期的若干年甚至几十年前,就要将航天器发射到太空。

然而,无论采取何种方法,如果我们无法预测小行星的到来,我们便无法使其轨道发生偏移。在过去二十多年的时间里,寻找潜在的威胁一直是行星防御研究的首要重点,而在未来,这也将依然是人们需要付出最多努力的研究领域。

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1998年,美国国会委托NASA开启一项名为“太空守卫”的观测计划,目标是在未来10年内找到90%的直径超过1千米的NEO。自此,以寻找较大NEO为目标的小行星搜寻活动便开始了。为了找到这些NEO,NASA在多个站点展开了地面太空望远镜观测活动。到2011年时,NASA已经实现了既定目标,成功地找出了九百多颗直径超过1千米的NEO,之前预测的数目为1000颗左右。令人高兴的是,在这些NEO中,没有一颗将要撞击地球,至少在未来几千年内不存在撞击的可能。

剩下未被发现的同等大小的NEO均沿着较长的椭圆轨道运行,只能非常偶尔地经过地球附近,因此可能还需要几十年才可以找到它们。而比较合理的下一步做法应该是将搜寻范围扩大到寻找具有潜在可怕撞击危险的较小的NEO。其实,早在“太空守卫”观测计划完成之前,美国国会就已经迈出了这一步,要求NASA在2020年之前找到90%的直径大于等于140米的NEO。

相比前者而言,这是一个更为宏大的目标。要知道,观测NEO并非易事。通常情况下,NEO会吸收大部分照射到其表面的可见光,因此它们看上去就像木炭一样漆黑。而体积越小的NEO,反射的太阳光便越少。大部分NEO只有在距离地球非常近的时候才能够被观测到,因此只能在它们快速绕过地球附近的那短短几天内追踪它们。这样一来便限制了人们确定其运行轨道的准确性。就大部分目前已知的NEO而言,它们行经地球的轨道都被绘制得极不精确,导致人们根本无法准确预测其再次经过地球的时间和位置。实际上,近三分之二的已知NEO的轨道参数都是不确定的,在它们重返地球附近时,天文学家依然很难再次找到它们。

在地球上,天文学家们已经启动了若干个对发现NEO非常有益的项目。其中最为宏伟的项目采用了具备大视角和巨大摄像头的天文望远镜。目前,在夏威夷茂宜岛上,已有一台名为全景观测望远镜兼快速反应系统(Pan-STARRS)的设备投入运行,这样的设备计划会有4台。设备上所配备的14亿像素的摄像头是目前世界上像素最高的摄像头之一。与此同时,天文学家们还在使用一种全新类型的超大光学望远镜——大口径综合巡天望远镜(LSST)。配有直径8.4米的宽主镜和32亿像素摄像头的LSST将自2022年起在智利北部的一座高山上展开观测。

这些工具功能强大而又敏锐,但同时也存在一些局限。由于地面光学望远镜必须在夜间使用,因此它们便无法观测到从向阳区域内靠近地球的物体。此外,它们还会受限于观测条件,即天空必须没有月光,且几乎不能有任何不稳定气流,这就导致人们只能在很少一部分时间内开展观测。但是,最为严重的妨碍因素当属大气层中的水蒸气,它们会在红外线抵达地面之前将其吸收。

光谱中的红外光区恰好是NEO观测最易测量的部分。小行星自身可能很暗,但它们却会在接收到太阳光的热量后吸收并重新发射出红外波长的光线。在NEO最为明亮的时刻,地面上的观测站却无法观测到这部分光谱,这极大地限制了观测设备的灵敏度。

目前,天文学家们在一年之中只能找到大约1000颗新的NEO。LSST投入使用后应该能够极大地提高NEO的发现率——大约能够提高10倍左右。但是,即使有新型天文望远镜的辅助,若要通过地面上的种种努力来完成NASA所承担的上述任务,即找到大多数直径大于等于140米的NEO,可能也还需要20年甚至是近30年的时间。而寻找更小的NEO所需要的时间将会更长。

最终,这些观测站总会发现已经位于将与地球相撞的轨道上的小行星。但是,我们却无法获知下一颗撞击地球的小行星将会在何时到来。如果我们希望给自己留出尽可能多的时间抵御行星来袭,那么我们可能希望能够尽早地找到所有的危险来源。而找到它们的最快方式无疑是主动出击太空。

然而,知易行难。紧张的预算使得让政府出资发射科研航天器的前景变得渺茫。尽管科学家们早在2006年就已提出旨在寻找近地小行星的“NEO相机”(NEOCam)提案,但该提案一直未经采纳。目前,此项目还在与十几个其他的太空发射任务竞争资金。

考虑到这些限制因素,B612基金会决定独立研制一款红外线望远镜,这款被命名为“哨兵”的望远镜将是世界上首台专门用于搜寻NEO的太空望远镜。该任务理念自2006年起,在位于科罗拉多州博尔德市的鲍尔公司开始成形。在2008年退休之前,我一直在这家公司工作。鲍尔公司曾为NASA建造用于寻找行星的开普勒太空望远镜和斯皮策太空望远镜的关键部件——一款红外线观测台。我在鲍尔公司的团队所提出的小行星探寻器的设计方案便是以上述两款航天器的研发技术为部分基础的。2011年,B612基金会发出一份招标书并最终选定由鲍尔公司建造、发射和运营观测台。同年,我加入了B612基金会。

我们预计的项目总成本为4.5亿美元,其中涵盖了开发、发射和6年半的运营费用。目前,B612基金会正在通过慈善捐款为“哨兵”望远镜筹措资金,这与20世纪初期的天文观测台的筹款方式非常相像。到目前为止,我们已经筹到足够的资金用于建设团队、制作红外探测器的工程模型、建模模拟“哨兵”望远镜的观测策略以及制定管理计划。这是人们首次尝试以此种方式为深空科研任务筹集资金,而且这很可能不是最后一次。

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我们计划让“哨兵”望远镜在地球公转轨道内侧约5000万公里处绕太阳运行,这距离金星的运行轨道不是太远。在该处,太空望远镜将有效地背对太阳,并利用其0.5米光圈、30亿像素的红外摄像机对天体进行持续扫描。凭借该位置,“哨兵”得以在NEO靠近太阳时观测它们,那时NEO自身温度会达到最高点并继而发射出强烈的红外光线。

“哨兵”望远镜与太阳的距离较近,因此它的太阳能电池板在该位置的发电量可以达到其位于地球轨道时发电量的两倍,但这也导致温控工作更加复杂。航空器电子元件的温度必须时刻保持在室温左右,而望远镜的温度则必须保持在零下208摄氏度(约65开尔文)以下,这样才能避免望远镜发出能够被摄像机探测到的热辐射。

为了保持冷却,“哨兵”望远镜将采用多种技术手段。大部分冷却工作由3层的遮阳板完成。第一层遮阳板是航天器的太阳能电池板阵列。但由于太阳能电池阵列自身温度会升高至100摄氏度以上,因此必须在电池板阵列和望远镜之间插入两层高反射的隔热层,以拦截面向航天器的热辐射,使其偏转射入太空之中。斯皮策太空望远镜也采用了相同的冷却方法。

这种配置方案会使望远镜的温度保持在目标温度以下。但是,为了将热噪降至最低水平,探测器的温度必须更低,只能为40开尔文。为了实现这一目标,我们计划采用一种机械制冷机,与早前红外太空望远镜所使用的液氦或固态氢的冷冻剂罐相比,该替代方案体积更小、质量更轻。

“哨兵”望远镜略微不同寻常的一点在于它的反射镜设计。反射望远镜通常配备两面反射镜:主镜将入射光线反射到其上方的次镜上,次镜再将该光线汇聚到探测器或物镜上。对于红外望远镜而言,这一经过验证的设计方案反而会引发问题。光线会有可能弹射到次镜的支撑结构上,导致支撑结构发出会被探测器捕获的热辐射。为了避免这些问题,“哨兵”将抛弃两面反射镜的设计,采用离轴构造的3面反射镜,完全消除望远镜的任何部件挡在探测器和其天空视野之间的可能性。

总而言之,“哨兵”望远镜的视野将达到11平方度,相当于从地球上观测到的月亮在天空中所占区域的五十多倍。“哨兵”的摄像机则会将这一超大视野录制在16个单独的180万像素的互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器芯片中。B612基金会已经开始着手研制这些能够敏锐地探测到5~10.2微米波长(NEO发射出的绝大部分辐射都在该波长范围内)红外辐射的探测器。负责制造探测器的瑞森视觉系统公司在2013年便完成了探测器的原型设计。目前,该公司正在建造探测器的全尺度工程模型,成功之后,以碳材质打造的复制版将最终应用在望远镜上。

为了搜寻NEO,“哨兵”观测站将利用其摄像头对比同一片星空背景的图片并找出发生相对移动的物体。“哨兵”望远镜的搜寻策略可以简洁地归纳为“步进凝视”,在一个小时之内“哨兵”会移动15次,观测范围从一片天空到另一片,再至下一片天空。它在每个观测点都采集3分钟的光线情况。在下一个小时,望远镜会把相同的观测程序精确地重复一遍。随后,望远镜的计算机会将两组在不同时段拍摄的同一片天空的图像进行比对。

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仅在单一照片上,NEO看上去几乎与恒星相差无几,但在1个小时的时间间隔内,NEO的位置变化却会导致多个像素的变化。当间隔一个小时拍摄的两幅画面显示出像素变化时,望远镜的内置计算机便会将两幅画面中有变化的位置周围5×5像素面积的图像存储起来。随后,观测站将在未来两个小时内完成新的一组15块天空区域的观测工作,然后再不断循环往复。

由于变星、主带小行星、宇宙射线电荷和其他噪声源的存在,我们预计将会产生无数伪探测结果。但我们为内容导向数据压缩所设计的协议——仅保存显示位置变化的图像区域——却能够使我们在广撒网的同时又能将可能是NEO的所有天体的相关数据回传到地球。典型的太空望远镜也许可以将数据压缩为原来的二分之一或三分之一。但我们仅需把收集到的数据的千分之一保存起来。数据量的缩小将有助于弥补天线到地球遥远距离间那可怜的传输速率,同时还可以把在地球上接收数据所需要的时间压缩到最短。NASA已经同意让B612基金会使用他们的深空网络。该网络本用于收集整个太阳系内航空器的传输信号,是由巨型抛物面天线组成的全球网络。在这张网络上,时间是昂贵的商品。依靠我们的图像压缩策略,我们可以存储一个星期的数据,然后在短短4个小时之内就可以完成所有数据(约4GB)的下载。

科罗拉多大学博尔德分校的大气太空物理实验室里的天文学家们将最先梳理这些回传数据。他们将仔细检查间隔一个小时拍摄的图像对,以搜寻移动的物体。随后,他们会将这些探测结果与两天之后的结果进行进一步比对,以判断是否符合物理学上可能的轨道环绕特性。如果存在相符之处,那么这些探测结果将被传送至位于马萨诸塞州剑桥市的史密森天体物理观测台的小行星中心,该中心管理着一个无比庞大的、有关所有NEO观测结果的数据库。在这里,天文学家将计算出每一个移动天体的轨道,并将计算结果发送给NASA在加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室的NEO项目处,该项目处负责提前规划天体的运行轨道,以便寻找有可能会撞击地球的物质。如果NASA有所发现,该项目处将发布相应通知,而其他专业或业余的天文学观测者们在收到通知后,会跟进提供相关的地面观测情况,以增进人们对于该天体轨道的了解,并寻找更好的应对撞击威胁的对策。“哨兵”望远镜亦将暂停预计的勘测工作,并更为仔细地去观测相关天体。

目前,“哨兵”望远镜尚处于早期研发阶段。我们将在今年之内敲定“哨兵”航天器的工程需求,并与鲍尔公司就航天器的建造和运行签署一份严格的固定价格合同,即所涉一切成本费用均提前一次性确定。如果我们的资金筹集工作能够像目前这样良好地开展下去,我们便能够在2019年将该航天器发射升空。

一旦该空间任务开始执行,我们应该会迎来海量的最新NEO的探测结果。考虑到“哨兵”望远镜的位置和灵敏度,我们预计,“哨兵”将发现20万颗直径小于30米的NEO、20万颗直径在30至50米之间的NEO和大约10万颗直径大于等于50米的NEO。“哨兵”将能够在不到7年的时间内实现NASA找到90%的直径大于等于140米的天体的目标。

当然,“哨兵”望远镜的观测绝非彻底又完整。相对于“哨兵”将能找到的数十万颗直径大于30米的NEO而言,无法找到的NEO数量更多。但是,“哨兵”探测到的NEO都有可能会位于与地球相撞的轨道上。据我们估测,“哨兵”找到一颗将在本世纪内的某个时间撞击地球的冲击物的概率是30%。此外,“哨兵”发现的其他一些小行星很可能需要人们进行进一步的详细后续观测,才能确保它们只是会与我们擦肩而过。

即使“哨兵”望远镜找到了一颗有可能撞击地球的天体,对于究竟可以采取何种对策应对这一问题,目前也依然没有确切的结论。对天体施以推力或拉力有可能使其偏离撞击轨迹,但即便对于威力最大的偏离手段——核爆炸——而言,也需要提前若干年进行设计规划。然而棘手的是,以目前的技术手段,我们很难实现长期预报。

NEO在移动过程中会受到太阳辐射的推动,而且还会旋转着将太阳辐射再次发射到太空中。这些效应难以用模型准确地体现出来;并且,越早推测天体的运行轨道,推测结果的不确定性便越高。在能够非常确定我们的所作所为不会令情况变得更糟之前,我们不希望针对小行星的运行路径采取任何措施。也许,最好的响应便是谨慎仔细地监测天体的运行情况,并疏散地球将要遭受撞击的区域。

或许,在真正的威胁到来之前,关于这些五花八门的行动方案的讨论只能算是纸上谈兵。而判断威胁是否存在的唯一方法便是主动出击寻找——而且需要在危险找上门来之前就采取行动。■

作者: Harold Reitsema

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2016-12-29
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