近日，小行星 2024YR4 成为了“明星”。天文学家观测并进行计算后显示，这颗直径在 40 至 90 米之间的小行星，在 2032 年底撞击地球的概率曾一度超过 3%，成为了未来短期内对地球威胁最大的天体。然而，面对太空所存在的潜在威胁，人类并非没有办法。国家国防科工局开始招聘行星防御岗位的员工。航天科研人员正在努力构建防御体系，这个体系是从预警监测一直到主动出击的完整体系。他们还在应用最新的技术，以此来保卫地球的安全。
天地预警 立体监测
数十亿年的时间里，小行星一直是广袤宇宙对地球进行的“终极考验”之一。从历史数据的总结以及天文学研究成果来看，直径超过 1 公里的小行星撞击地球的概率大概是每隔百万年就会有一次。直径 50 米级的小行星撞击地球，平均每千年会发生一次。虽然概率很低，但是它的破坏力在很长时间里都远远超过了人类的防御能力。
1908 年 6 月 30 日，在西伯利亚通古斯河附近发生了剧烈的爆炸。这次爆炸摧毁了大约 2000 平方公里的森林，近 8000 万棵树遭到了损毁。人们认为导致这一事件的“罪魁祸首”是一颗直径约 65 米的小行星。
天体爆炸残骸划过俄罗斯车里雅宾斯克上空
2013 年 2 月 15 日，有一颗直径约 18 米的小天体在俄罗斯车里雅宾斯克上空发生爆炸。这次爆炸释放出的能量相当于 30 颗轰炸日本广岛的原子弹。爆炸的高度约为 30 公里，由于这个高度的限制，破坏程度得到了一定的限制。即便如此，这次爆炸仍导致 1500 多人受伤，直接经济损失超过 3300 万美元。如果这颗小天体是直径 100 米级的小行星，那么其爆炸威力很可能会摧毁拥有数百万人口的特大城市。
小行星撞击地球有概率低且毁灭性强这双重特性，所以人类既不能对其威胁视而不见，也难以承担全面防御所需的经济代价。这种矛盾使得小行星精准观测技术得以快速发展，人类逐渐构建起从地面到太空的监测网络，并且持续提升小行星轨道预测和威胁预警的能力。
在地面上，光学望远镜和雷达可以有效观测逼近地球的小行星。
光学望远镜通过捕捉小行星反射的阳光来进行识别和追踪。在全球范围内，分布着数十座大型专业化的设备。比如，美国夏威夷的泛星计划大视场望远镜能够扫描大片的天区。而我国紫金山天文台的近地天体望远镜则专门致力于高精度的定位。在高灵敏镜头以及先进算法的辅助之下，即便直径达到 100 米级的小行星处于数千万公里那么远的地方，仅仅能够呈现出微弱的光点，依然无法逃过它们的“法眼”。
雷达向小行星发射无线电波，同时接收回波。通过这种方式，能够精确测量小行星相对地球的距离、速度以及三维结构。基于这些测量数据，可以推算出危险小行星的轨道参数。雷达观测具有穿透性强的特点，不会受到昼夜或气象条件的干扰，尤其在分析较近距离的目标物理特性方面表现出色。然而，其作用距离通常局限在数百万公里之内。
为了发挥长处、避开短处，这两类观测设备进行了“强强联手”。光学望远镜承担起广域搜索以及早期预警的任务，而雷达则在目标小行星逐渐接近的时候提供精细的数据。
空间望远镜监测近地小天体效果图
太空观测系统相较于地面设备，造价是很昂贵的，维护成本也更高。不过，它具备一些优势，比如无大气干扰、能全时段工作以及覆盖范围极大等。例如，美国宇航局的近地天体广域红外巡天探测器从 2013 年开始就探测到了 15.8 万颗小行星，其中有 3.4 万颗是首次被发现的。尽管近地小行星在其中占比不大，但这仍能证明它的工作是高效的。更强大的近地天体巡天望远镜计划在 2027 年底开始升空。它有望成为首台专门在红外波段去探寻近地天体的空间望远镜。这些太空观测系统和地面设备一起构成了立体网络。通过这样的方式，大幅提升了人类对于“太空来客”的预警能力。
值得注意的是，人工智能技术发展迅猛，正在对小行星预警体系进行革新。在处理海量观测数据时，它展现出了独特的优势。观测系统每天会产生大量的信息图像，而人工智能技术能够帮助科研人员快速且准确地识别移动光点，从而大幅提高了筛查效率，将小行星撞击地球的概率计算耗时从数周缩短到了分钟级。
我国紫金山天文台的人工智能系统能够提前数日甚至数周预警直径 30 米的小行星飞掠地月空间，这成功验证了算法的高效性。
经典三招 构建护盾
科研人员针对小行星对地球的潜在威胁，提出了一系列主动防御手段，这些手段适用于不同的小行星尺寸、轨道特性以及预警时间。在这些手段中，经典的方法有动能撞击、“引力拖车”以及核爆偏离。
动能撞击是人类至今唯一经过“实战”验证的“地球护盾”技术。航天器高速撞击小行星，这是其原理之一，能瞬间改变小行星的速度。通过时间的积累，小行星的轨道会逐渐偏离地球。
2022 年 9 月 26 日，美国宇航局的双小行星重定向测试任务航天器成功地对小行星实施了撞击。此次撞击使得小行星的轨道周期缩短了 32 分钟，从而验证了相关技术的可行性。我国也有计划，在不久的将来对一颗小行星进行动能撞击直播以及在轨效果评估。并且我们争取能够实现国际上首次在撞击前、撞击过程以及撞击后全程对小行星进行探测。
航天器撞击导致小行星的速度改变量非常小。通常情况下，需要拥有较长的预警时间，这样才有机会让小行星的轨道发生显著偏转。模拟计算显示，若要有效地偏转直径为 500 米的小行星，就有必要提前 10 年发射 75 个 8 吨级的航天器去进行撞击。
航天器在小行星附近长期运行，这就是所谓的“引力拖车”。它利用引力作用，能够缓慢地改变小行星的轨道。从理论方面来说，数吨重的航天器在距离直径 100 米级的小行星 100 米处盘旋飞行，通过持续的引力牵引持续数十年，就可以让小行星的轨道发生显著偏移。
这种方法能够有效避开核爆或者撞击所引发的次生危害。不过，它需要精准地控制航天器的运动状态以及位置，同时还要克服小行星所具有的不规则引力以及自转所带来的扰动作用。
核爆偏转小行星轨道示意图
核爆偏转是通过利用核武器爆炸来摧毁小行星，或者在小行星附近引爆核武器，让其“蒸发”小行星表面物质，从而推动小行星偏离轨道。这种方法更适宜在预警时间仅有数周至数月的时候使用，所以在追求惊险刺激的科幻影视作品里经常能看到。
理论上，对于直径 100 米级的碳质小行星，单枚 100 万吨 TNT 当量的核武器是能够将其摧毁的。然而，核爆之后会生成放射性碎片或者小行星残骸，其带来的威胁依然不能被忽视。所以，方案的设计者需要提前把核爆位置、引爆时机、变轨效果等方面进行精确的计算。
总之，3 种经典方法都有各自的优势和劣势。它们需要在多种技术的支撑下，共同发挥作用。
星际防御 全球协作
小行星监测能力提升了，航天技术也发展了。在这种情况下，人类对抗小行星威胁的主动防御手段开始逐渐从理论走向实践。未来，激光阵列有可能被建成守护地球的“星海长城”，太阳帆也有可能被建成守护地球的“星海长城”，星际防御体系或许也会被建成守护地球的“星海长城”。
激光阵列定向发射高能激光束，以此烧蚀小行星表面物质。同时，利用喷射所产生的反作用力，努力对小行星轨道进行改变。
美国加州理工大学的科研人员曾提出部署一种瞄准小行星的定向能量系统，该系统采用模块化设计。不同级别的激光阵列尺寸有所不同，有的是桌面大小，有的直径达 10 公里。模拟测试表明，第四等级系统具备在一年内将直径 500 米的小行星“融化”的潜力，而第六等级系统甚至有希望为星际航行提供能源支持。
激光烧蚀小行星效果图
太阳帆借助光子对帆面施加的压力，有希望持续促使小行星偏离轨道，这种方式适合开展长期的预防性任务。美国的科研人员曾经提出，运用 249 公斤的碳纤维网来制作太阳帆，通过改变小行星吸收和反射太阳辐射的比例，对其热力学状态进行调控，从而让小行星偏离轨道。我国的科研人员正在对超薄柔性材料进行探索，以提升太阳帆帆面的反射效率。
防范小行星威胁属于全人类的共同事业，需要加强国际合作，把资源充分调动起来，综合运用各种手段，进而构建星际防御体系。在联合国的推动下，国际小行星监测网和空间任务规划小组在 2013 年得以成立。
在跨国数据共享以及应急响应程序实现标准化并取得切实进展之后，各国或许会在近地轨道进行协调部署。部署的内容包括不同功率等级的激光阵列，以及不同发射速度与警戒方向的天基撞击器等。同时，各国还有可能在月球或多个日地拉格朗日点附近建立地球防御前哨站。其目的是努力做到对小行星威胁能够“发现即拦截”。
未来，深空探测能源供应以及量子通信等技术会取得革命性突破。在这种情况下，人类有机会在地球周围乃至更广阔的生存空间构筑起攻防一体的“太空堡垒”，从而能够将小行星的威胁消弭在星辰之间。
从另一个角度去观察小行星防御任务，这意味着人类要运用科技和智慧，为地球筑起一道防线，让地球上的文明之火能够持续燃烧，并且让地球成为人类星际文明的起始站，大家携手一起迈向更加广阔的宇宙空间。
《中国航天报·飞天科普周刊》有相关内容，原标题为《小行星来袭不要慌，航天绝招保地球》
