點(diǎn)擊直播預(yù)約

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引言

小行星撞擊是一種持續(xù)存在的自然災(zāi)害，它可能引起地球和人類(lèi)生存環(huán)境的破壞乃至毀滅。今年年初，2024 YR4小行星與地球的撞擊概率引發(fā)了全球關(guān)注與熱議。這顆小行星最初被預(yù)測(cè)在2032年12月22日可能與地球相撞，撞擊概率從最初的1.2%一度攀升至史無(wú)前例的3.1%，隨后又急劇下降至約0.004%，最終被國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)絡(luò)(IAWN)確認(rèn)不構(gòu)成顯著威脅。然而，令人很多人困惑的是小行星的撞擊概率為何總在變化？這些數(shù)據(jù)到底可不可靠呢？

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為何小行星撞擊概率總在變化？

小行星的撞擊概率是基于觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)小行星進(jìn)行定軌，通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)小行星在某一特定時(shí)間范圍內(nèi)的軌道位置，并使用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算與地球發(fā)生碰撞的可能性。其中，全球各大空間機(jī)構(gòu)如NASA、ESA等使用不同的計(jì)算模型和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)，導(dǎo)致同一小行星的撞擊概率評(píng)估存在差異。例如，2月19日在對(duì)2024 YR4的評(píng)估中，NASA給出的最高撞擊概率為3.1%，而ESA的評(píng)估結(jié)果為2.81%。但這個(gè)差異通常不會(huì)太大。因此，小行星撞擊概率不斷變化的原因主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)關(guān)鍵因素：觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度與跨度和動(dòng)力學(xué)模型的完善程度。

▲圖1 淺粉色圓圈為2024 YR4可能與月球撞擊的“走廊”。圖源：NASA.

小行星撞擊概率總在變化的一個(gè)主要原因是觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度和跨度。以2024 YR4為例，該小行星是由位于智利的近地小行星撞擊預(yù)警系統(tǒng)(ATLAS)于2024年12月27日發(fā)現(xiàn)。科學(xué)家基于有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行了軌道計(jì)算，于是國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)絡(luò)(IAWN)在1月底發(fā)布了2024 YR4將在2032年12月22日可能撞擊地球的公告，其撞擊概率為1.2%。但這些初始軌道包含較大的誤差。隨著觀測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)和數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高，軌道計(jì)算精度會(huì)顯著增強(qiáng)，撞擊概率評(píng)估也隨之更加準(zhǔn)確。2024 YR4的案例恰恰展示了這一科學(xué)過(guò)程：當(dāng)滿月夜間的低質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)被納入計(jì)算時(shí)，撞擊概率一度攀升；而當(dāng)更多高質(zhì)量數(shù)據(jù)被獲取并剔除不可靠觀測(cè)后，概率評(píng)估回歸到更為準(zhǔn)確的水平。

上述情況的變化往往體現(xiàn)在短期內(nèi)，小行星撞擊概率的短期波動(dòng)通常會(huì)隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)增加而趨于穩(wěn)定，但長(zhǎng)期預(yù)測(cè)面臨著更為復(fù)雜的挑戰(zhàn)。在太陽(yáng)系這個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中，小行星軌道受到引力攝動(dòng)和非引力效應(yīng)等多種力的持續(xù)影響，使其未來(lái)路徑難以精確預(yù)測(cè)。

太陽(yáng)系中的大質(zhì)量天體（如木星、土星等巨行星）對(duì)小行星施加的引力擾動(dòng)會(huì)隨時(shí)間累積，逐漸改變小行星的軌道要素。這種攝動(dòng)作用在長(zhǎng)時(shí)間尺度上可能導(dǎo)致軌道發(fā)生顯著變化，特別是對(duì)于那些處于共振軌道或軌道交叉區(qū)域的小行星。其次，非引力效應(yīng)則主要包括小行星之間的碰撞和雅科夫斯基效應(yīng)。雖然小行星間的相互碰撞極為罕見(jiàn)，但一旦發(fā)生，將徹底改變其運(yùn)行軌跡，使先前的預(yù)測(cè)失效。更為常見(jiàn)的是雅科夫斯基效應(yīng)——當(dāng)小行星表面吸收太陽(yáng)輻射后不均勻再輻射，產(chǎn)生的微弱推力會(huì)導(dǎo)致軌道半長(zhǎng)軸緩慢變化。現(xiàn)代動(dòng)力學(xué)模型已將這種效應(yīng)納入計(jì)算，但其長(zhǎng)期累積影響仍難以完全預(yù)測(cè)。

▲圖2 小行星之間的撞擊示意圖。圖源：Pennlive。

▲圖3 Yarkovsky效應(yīng)改變小行星軌道的示意圖。圖源：Wikipedia。

這些因素共同作用，使小行星軌道演化呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特征。因此，即使當(dāng)前被評(píng)估為安全的小行星，也可能在未來(lái)幾十年或一個(gè)世紀(jì)后改變軌道，形成對(duì)地球的潛在威脅。這正是天文學(xué)家需要持續(xù)監(jiān)測(cè)近地天體的重要原因。小行星撞擊概率的變化并非科學(xué)研究的失敗，恰恰相反，它體現(xiàn)了科學(xué)認(rèn)知的自我完善過(guò)程。這種基于證據(jù)不斷修正的過(guò)程，正是科學(xué)方法的核心價(jià)值所在。

鑒于小行星撞擊概率計(jì)算的復(fù)雜性和不確定性，如何對(duì)這些有撞擊風(fēng)險(xiǎn)的小行星進(jìn)行監(jiān)測(cè)？

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如何監(jiān)測(cè)？

天文學(xué)上把小行星中直徑大于 140 米且與地球的交會(huì)距離小于 0.05 天文單位（750 萬(wàn)千米，約 20 倍地月距離）的稱(chēng)為“潛在威脅天體”（簡(jiǎn)稱(chēng) PHA）。截止2025年3月，國(guó)際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了11178顆近地小行星，其中PHA為2471顆。這個(gè)數(shù)字僅為科學(xué)家估計(jì)總數(shù)的40%。PHA是近地小行星防御系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。

▲圖4 目前已知潛在威脅小行星的軌道示意圖。圖源：NASA.

針對(duì)PHA，需要建立多個(gè)專(zhuān)門(mén)用于巡天觀測(cè)(發(fā)現(xiàn))、后隨觀測(cè)(跟蹤)和近臨監(jiān)測(cè)的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)。巡天觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡，主要負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)和尋找此類(lèi)小行星；對(duì)已發(fā)現(xiàn)的小行星要進(jìn)行后隨觀測(cè)，實(shí)時(shí)更新其撞擊地球的概率；然而，還有一些目標(biāo)，在撞擊前才被發(fā)現(xiàn)，針對(duì)這類(lèi)目標(biāo)則需要建立即使的近臨監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡，以求在最短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地獲得撞擊目標(biāo)的軌道參數(shù)，對(duì)可能撞擊區(qū)進(jìn)行預(yù)警或?yàn)榻胤烙呗蕴峁┲巍Ｈ绾卧谳^短的觀測(cè)時(shí)間獲得確定準(zhǔn)確的軌道這一科學(xué)問(wèn)題即為“短弧定軌”，是目前小行星領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向。

目前全球開(kāi)展的小天體探測(cè)計(jì)劃有三百多個(gè)項(xiàng)目，其中影響力較大的包括但不限于卡特琳娜巡天計(jì)劃，近地小行星撞擊預(yù)警系統(tǒng)(ATLAS)，以及全景巡天望遠(yuǎn)鏡與快速反應(yīng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)泛星巡天計(jì)劃等。

▲圖5 從左到右分別為卡特琳娜巡天望遠(yuǎn)鏡和ATLAS-2的近景。圖源：NASA。

我國(guó)位于盱眙的近地天體望遠(yuǎn)鏡也是其中之一，隨著我國(guó)“復(fù)眼”雷達(dá)的全面投入使用以及空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃的實(shí)施，我國(guó)將建成健全多層次、多階段、全天候的小行星監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。

▲圖6 近地天體望遠(yuǎn)鏡近景。圖源：紫金山天文臺(tái)。

▲圖7 “復(fù)眼”雷達(dá)第一期近景。

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小行星防御是如何做到的？

小行星撞擊防御任務(wù)的思路大致分為兩類(lèi)：1. 將小行星軌道推離至無(wú)法與地球相撞；2.將小行星分解成在大氣層中可以燃燒殆盡的無(wú)害碎片。應(yīng)對(duì)方案總結(jié)為八字訣——“撞，炸，拖，牽，燒、噴、涂、拋”。目前只有“撞”的手段在NASA的“DART”任務(wù)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)驗(yàn)證。其他均處于構(gòu)想階段。我國(guó)預(yù)計(jì)將在2030年實(shí)現(xiàn)一次小行星的動(dòng)能撞擊任務(wù)。

▲圖8 NASA的“DART”任務(wù)。Dimorphos被撞擊先后的軌道示意圖。圖源：NASA

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撞擊事件多嗎？危害大嗎？

約6500萬(wàn)年前，一顆直徑高達(dá)10 km的小行星撞擊地球造成了恐龍滅絕；1908年，在俄羅斯通古斯上空，約50 m的小行星發(fā)生空爆，將相當(dāng)于3個(gè)上海主城區(qū)面積（約2000平方公里）的森林夷為平地；2013年，在俄羅斯車(chē)?yán)镅刨e斯克，約15 m的小行星隕落，造成了超千人受傷，千座建筑受損；2020年，我國(guó)青海玉樹(shù)，一顆萬(wàn)噸TNT當(dāng)量的火流星也造成隕落區(qū)內(nèi)房屋的損壞。不同直徑的小行星撞擊地球的頻率和危害不同。

▲圖9 不同大小的小行星的撞擊頻次、危害程度、總數(shù)量以及已發(fā)現(xiàn)占比。圖源：NASA。

小行星撞擊是一種低概率但高風(fēng)險(xiǎn)的自然災(zāi)害。我們應(yīng)該加強(qiáng)國(guó)際合作，完善監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)發(fā)多樣化的防御手段，并提高公眾對(duì)小行星威脅的認(rèn)識(shí)。只有做好充分準(zhǔn)備，人類(lèi)才能在面對(duì)可能的小行星撞擊時(shí)，有效保護(hù)地球家園和人類(lèi)文明的延續(xù)。

直播信息

直播主題：小行星防御：從科幻到現(xiàn)實(shí)的科技躍遷

主講嘉賓：李明濤 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心教授

特邀主持人：鞠強(qiáng) 副編審，副研究館員，中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)科學(xué)閱讀推廣大使

直播時(shí)間： 2025年4月24日（周四）19:00-20:00

點(diǎn)擊直播預(yù)約

參考資料：

1. 李明濤，小行星防御有“術(shù)“，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，2022,(12),36-39.

2. https://ssd.jpl.nasa.gov/

3. https://iawn.net/close-approaches/ca-table.shtml