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引言

小行星撞擊是一種持續存在的自然災害，它可能引起地球和人類生存環境的破壞乃至毀滅。今年年初，2024 YR4小行星與地球的撞擊概率引發了全球關注與熱議。這顆小行星最初被預測在2032年12月22日可能與地球相撞，撞擊概率從最初的1.2%一度攀升至史無前例的3.1%，隨后又急劇下降至約0.004%，最終被國際小行星預警網絡(IAWN)確認不構成顯著威脅。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？這些數據到底可不可靠呢？

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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數據對小行星進行定軌，通過動力學模型來預測小行星在某一特定時間范圍內的軌道位置，并使用統計方法計算與地球發生碰撞的可能性。其中，全球各大空間機構如NASA、ESA等使用不同的計算模型和風險評估系統，導致同一小行星的撞擊概率評估存在差異。例如，2月19日在對2024 YR4的評估中，NASA給出的最高撞擊概率為3.1%，而ESA的評估結果為2.81%。但這個差異通常不會太大。因此，小行星撞擊概率不斷變化的原因主要來自兩個關鍵因素：觀測數據的精度與跨度和動力學模型的完善程度。

▲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主要原因是觀測數據的精度和跨度。以2024 YR4為例，該小行星是由位于智利的近地小行星撞擊預警系統(ATLAS)于2024年12月27日發現。科學家基于有限的數據進行了軌道計算，于是國際小行星預警網絡(IAWN)在1月底發布了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。隨著觀測時間的延長和數據質量的提高，軌道計算精度會顯著增強，撞擊概率評估也隨之更加準確。2024 YR4的案例恰恰展示了這一科學過程：當滿月夜間的低質量觀測數據被納入計算時，撞擊概率一度攀升；而當更多高質量數據被獲取并剔除不可靠觀測后，概率評估回歸到更為準確的水平。

上述情況的變化往往體現在短期內，小行星撞擊概率的短期波動通常會隨著觀測數據增加而趨于穩定，但長期預測面臨著更為復雜的挑戰。在太陽系這個復雜的動力學系統中，小行星軌道受到引力攝動和非引力效應等多種力的持續影響，使其未來路徑難以精確預測。

太陽系中的大質量天體（如木星、土星等巨行星）對小行星施加的引力擾動會隨時間累積，逐漸改變小行星的軌道要素。這種攝動作用在長時間尺度上可能導致軌道發生顯著變化，特別是對于那些處于共振軌道或軌道交叉區域的小行星。其次，非引力效應則主要包括小行星之間的碰撞和雅科夫斯基效應。雖然小行星間的相互碰撞極為罕見，但一旦發生，將徹底改變其運行軌跡，使先前的預測失效。更為常見的是雅科夫斯基效應——當小行星表面吸收太陽輻射后不均勻再輻射，產生的微弱推力會導致軌道半長軸緩慢變化。現代動力學模型已將這種效應納入計算，但其長期累積影響仍難以完全預測。

▲圖2 小行星之間的撞擊示意圖。圖源：Pennlive。

▲圖3 Yarkovsky效應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出復雜的非線性特征。因此，即使當前被評估為安全的小行星，也可能在未來幾十年或一個世紀后改變軌道，形成對地球的潛在威脅。這正是天文學家需要持續監測近地天體的重要原因。小行星撞擊概率的變化并非科學研究的失敗，恰恰相反，它體現了科學認知的自我完善過程。這種基于證據不斷修正的過程，正是科學方法的核心價值所在。

鑒于小行星撞擊概率計算的復雜性和不確定性，如何對這些有撞擊風險的小行星進行監測？

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如何監測？

天文學上把小行星中直徑大于 140 米且與地球的交會距離小于 0.05 天文單位（750 萬千米，約 20 倍地月距離）的稱為“潛在威脅天體”（簡稱 PHA）。截止2025年3月，國際上已經發現了11178顆近地小行星，其中PHA為2471顆。這個數字僅為科學家估計總數的40%。PHA是近地小行星防御系統需要監測的目標。

▲圖4 目前已知潛在威脅小行星的軌道示意圖。圖源：NASA.

針對PHA，需要建立多個專門用于巡天觀測(發現)、后隨觀測(跟蹤)和近臨監測的望遠鏡網絡。巡天觀測的望遠鏡，主要負責發現和尋找此類小行星；對已發現的小行星要進行后隨觀測，實時更新其撞擊地球的概率；然而，還有一些目標，在撞擊前才被發現，針對這類目標則需要建立即使的近臨監測望遠鏡，以求在最短時間內準確地獲得撞擊目標的軌道參數，對可能撞擊區進行預警或為近地防御策略提供支撐。如何在較短的觀測時間獲得確定準確的軌道這一科學問題即為“短弧定軌”，是目前小行星領域研究的熱點方向。

目前全球開展的小天體探測計劃有三百多個項目，其中影響力較大的包括但不限于卡特琳娜巡天計劃，近地小行星撞擊預警系統(ATLAS)，以及全景巡天望遠鏡與快速反應系統，簡稱泛星巡天計劃等。

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

我國位于盱眙的近地天體望遠鏡也是其中之一，隨著我國“復眼”雷達的全面投入使用以及空間望遠鏡計劃的實施，我國將建成健全多層次、多階段、全天候的小行星監測預警網絡。

▲圖6 近地天體望遠鏡近景。圖源：紫金山天文臺。

▲圖7 “復眼”雷達第一期近景。

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小行星防御是如何做到的？

小行星撞擊防御任務的思路大致分為兩類：1. 將小行星軌道推離至無法與地球相撞；2.將小行星分解成在大氣層中可以燃燒殆盡的無害碎片。應對方案總結為八字訣——“撞，炸，拖，牽，燒、噴、涂、拋”。目前只有“撞”的手段在NASA的“DART”任務實現了技術驗證。其他均處于構想階段。我國預計將在2030年實現一次小行星的動能撞擊任務。

▲圖8 NASA的“DART”任務。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6500萬年前，一顆直徑高達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的小行星發生空爆，將相當于3個上海主城區面積（約2000平方公里）的森林夷為平地；2013年，在俄羅斯車里雅賓斯克，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，我國青海玉樹，一顆萬噸TNT當量的火流星也造成隕落區內房屋的損壞。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、總數量以及已發現占比。圖源：NASA。

小行星撞擊是一種低概率但高風險的自然災害。我們應該加強國際合作，完善監測網絡，開發多樣化的防御手段，并提高公眾對小行星威脅的認識。只有做好充分準備，人類才能在面對可能的小行星撞擊時，有效保護地球家園和人類文明的延續。

參考資料：

1. 李明濤，小行星防御有“術“，中國科學院國家空間科學中心，2022,(12),36-39.

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

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

本文轉載自《墨子沙龍》微信公眾號

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