2000年02月16日

面对天外来客的威胁

一茗

   假如小行星不循规蹈矩,假如长着尾巴的彗星太过冒失,假
如本该在天际一闪而过的流星居然向地球飞来……那后果一定不妙,
最悲观的估计是灾难将导致地球家园的损坏和整个人类的毁灭。从概
率上将,这样的悲剧终将上演。我们该为此寝食不安吗?当然不。人
没有必要为忧虑未来而毁掉现在的生活。但是,也许我们绝对有必要
了解危险背后的科学真相,了解科学家为此做出的应对之策。

  跨进2000年的大门没几天,英国政府便成立了一个三人特别行动
小组,专门收集近地天体(Near Earth Objects,NEOs)对地球构成
威胁的信息,并且据此制定相应的对策。这对于那些曾经或者正在为
近地天体的存在而忧心忡忡的人们来说无疑是一副安慰剂。

  其实细说起来,宇宙中天体间的碰撞并不奇怪。这些形状各异的
天体有着不同的运行轨道、速度和方向,如果它们就这样各行其道也
许可以相安无事,但是引力却使它们之间或多或少会有一些联系,特
别是当一颗小质量的天体从一颗大质量的天体近旁经过,它很可能因
为难以抵挡后者巨大的引力而改变原来的轨道,此时天体之间相撞也
就成了可能发生的一种后果。比如1994年的苏梅克-列维9号彗星与木
星的相撞就是这样形成的,蔚为壮观的场面曾在短短几天中造就培养
了无数的天文爱好者。近地小天体撞击地球也多半是因为这个缘故,
实在不能埋怨这些小家伙有多么不循规蹈矩,只是它们的体重太轻,
在大质量天体强大的引力作用下总会身不由己,另外还有一些小行星
或彗星会定期穿越地球轨道,这样一来便给地球上的生物带来了麻烦。
不必想像,现成的例子离我们倒也不远。

  1908年6月30日清晨7点17分,西伯利亚通古斯地区被一场突如其
来的大爆炸惊醒了,在划破长空的白光和近乎山崩地裂的巨响之后,
方圆2000公里的森林在顷刻间化为灰烬,爆炸还引发了山洪爆发。这
就是著名的“通古斯大爆炸”,据估计,它的威力相当于上百颗氢弹
同时爆炸。从1921年起先后有多个国家的数支考察团赴现场勘察,有
关爆炸发生的原因目前仍是众说纷纭,但大多数科学家认可的一种解
释便是:一颗近地天体(很可能是彗星)在闯入地球大气后爆炸。

  1908年的爆炸事件毁掉的还只是有限的范围,而在更早的时候,
一颗小行星的光临则毁掉了一个时代。很多科学家认为6500万年前曾
有一颗直径约10千米的小行星没头没脑地撞到地球上,激起的碎石和
尘埃将地球牢牢地罩住,由于无法从太阳那里获得光和热,地球逐渐
变冷,大量生物死亡,曾经一度神采飞扬的恐龙也因此而悲惨地死去。
从此,恐龙一统天下的时代结束了。

  惊心动魄的往事既耐人寻味又让人揪心,如果有一天真的有一颗
近地小天体向我们的星球飞奔而来,后果将会如何?我们又该怎么办
呢?和彗木相撞一样,这种可能发生的撞击事件也吸引了大批观众,
当然这仅限于在电影院里。即使是灾难临头,好莱坞的介入也会使一
切变得热热闹闹、有惊无险,观众们通常会在影片中看到这样的情节:
小行星或者彗星飞快地向地球撞来,再过几分钟就要与地球相撞了!
千钧一发之时却峰回路转,英勇的宇航员将小行星炸毁,从而使地球
免去了一场劫难。这样的情节设计在电影中被称做“最后三分钟的救
援”,是电影导演们喜爱的一种表现手法,而观众来说,当一颗悬着
的心终于可以落下来的时候,人们更为关心的恐怕还是在现实中这样
的“救援”能否及时赶到。对这个问题,倒也不必太过担心,因为各
国科学家们早已将其排上了研究日程。David Rabinowitz就是这些科
学家中的一位。

  Rabinowitz来自美国耶鲁大学。目前,他正跟随该校物理系主任
Charles Baltay工作,合作制造世界上最大的电子照相机,建成后,
耶鲁的天文学家们将用它研究遥远的星系、超新星以及宇宙的膨胀。
当然,近地小行星也是他们的观察目标。

  除了建造巨型望远镜之外,Rabinowitz此前还与加州理工大学喷
气推进实验室的研究人员合作,调查近地小行星,他们在研究中使用
了一种1米口径、双控制方式的大型望远镜。从前的照相方式所需要的
是训练有素的观察人员,能否准确捕捉并记录下小行星的样子取决于
观察者的技巧,而采用自动方式显然要轻松得多,它可以更加准确连
贯地记录下每颗被检测到的小行星。

  有了精良的设备做保障,Rabinowitz和他的同伴们不久便获得了
他们需要的信息。今年1月,Rabinowitz在《自然》杂志上撰文说,在
本世纪内有可能与地球相撞的近地小行星的数目比原来人们认为的要
少得多。此前,科学家们曾估计目前大约有1000-2000颗左右的小行
星定期穿越地球轨道,但Rabinowitz和他的同事们研究后认为数目在
500-1000颗,即原先估计数目的一半。他还强调说,在已经发现的小
行星中,没有一颗星对于地球的威胁是迫在眉睫的,而且在不久的将
来也没有这种预兆。他同时坦言,数目的减少并没有让我们感到比从
前要安全得多,但却使我们能更加准确地规划行动方案。据
Rabinowitz认为,在今后20年里人们可望发现这些具有威胁性的小行
星中的90%。

  越来越多的近地天体将被世界各地的科学家们记录在案,但它们
是否都会对地球构成威胁?答案并不总是令人担忧的。

  美国国家宇航局喷气推进实验室的科学家们在回答这个问题时说,
最具危险性、可能带来全球性灾难的小行星非常少。据认为,这种小
行星直径至少在0.5-1千米。它们撞击地球的可能性平均每100000年
才会发生一次,而同样大小的彗星撞击地球的可能性甚至更少,大约
是每500000年才会发生一次。

  英国科学家在回答公众的提问时也给出了光明的前景。科学热线
(ScienceNet)是英国一家颇受欢迎的科学网站。在回答公众有关近
地天体撞地球的疑问时,科学热线回答说,一个直径2千米大小的物体
撞到地球会造成直径30千米的陨石坑,相当于一个伦敦!重要的是,
这种撞击激起的大量尘埃将遮天蔽日,由于从太阳那里获得的能量会
逐渐减少,地球也将随之变冷(这种回答是不是和恐龙的死因十分相
像?)这种影响对于人类来说将是一个严峻的考验。从长远来看,相
撞是必定要发生的,因为在地球轨道附近运行的小行星太多了,我们
根本无法保证在未来的日子里总是那么走运,而且有大量证据表明大
撞击在过去曾经发生过。最近的一次发生在1908年,即“通古斯大爆
炸”。从目前来看相撞发生的可能性还很小,而且即使真的面对这种
威胁,我们也将有能力采取行动保护地球。问题的关键是要及早发现、
提前着手准备应对。如果撞击在几天或几周后就要发生,那么我们所
能做的将微乎其微。但是如果提前几个月或者几年便发出警告的话,
我们将能阻止灾难的发生。

  既然未雨绸缪可以使地球免遭“撞车”之苦,科学家们自是不会
放过这样的机会。这些终日与近地天体打交道的人为了弄清楚小家伙
们的脾气秉性也真下了一番功夫。

  RichardP.Binzel是麻省理工学院地球大气与行星科学系教授。
在过去的五年多时间里,他一直在思考着如何为天上的这些小家伙们
分类定级,以评价它们是否会对地球的安全构成威胁。去年6月,国际
天文学会在意大利都灵举行了一次近地天体国际会议。在这次会上,
Binzel正式提交了他五年研究的成果一份评价近地天体危险等级标准
方案。一个月后,这个标准被正式采纳,并因会议的举行地而被命名
为“托里诺标准(Turino SCcale)”。

  托里诺标准综合考虑了天体的大小、运行轨道、速度以及与地球
相撞的可能性,然后为这颗天体的危险性分类定级,并以从0到10这
11个数字标注之,数目升高危险性也将随之升高。如果危险等级为0,
就表明该天体撞击地球的可能性为0,或者很小而可以忽略不计。当危
险等级为10则表明撞击是肯定会发生的,而且撞向地球的天体个头很
大,因而很可能使全球气候陷入一场灾难性的变迁。不过,它们的危
险等级是有可能变化的。科学家们将随时测定更加精确的各个参数,
并据此重新计算危险等级。根据Binzel的测量计算,目前还没有一颗
小行星的危险等级大于1,有几颗最初曾被定为1的小行星,在测算运
行轨道后被重新定级为0。这说明,从已经发现的小行星的情况来看,
它们与地球相撞的可能性基本上为0。Binzel曾说,希望这个标准能帮
助人们清楚地掌握情况而不是在公众中造成混乱,而这其实也正是科
学家在促使公众正确看待近地天体撞地球一事上所能发挥的作用。

  就在Binzel忙着计算近地天体的危险等级的同时,另一位美国科
学家也在埋头做着另一项有关的计算。Bruce Conway教授来自美国伊
利诺斯大学航空与航天工程系。在谈到如何应对近地天体的撞击时,
他的回答显然是经过深思熟虑的。他认为,作为缓兵之计,可以考虑
派遣宇宙飞船在离地球尽可能远的地方对其拦截。这样无论最终我们
要采取何种措施,我们都将赢得更多的时间。但现在的问题是,拦截
成功后的下一步该怎么走呢?多年来,人们设想的最好的办法是用核
弹头将飞来的天体炸毁,但Conway教授认为这个主意并不太好,因为
如果我们真的那样做了,地球也许能避免一次巨大的撞击,但爆炸形
成的大量碎块将如同一场“倾盆大雨”从天而降,对地球来说,这样
的打击同样是致命的。事实上,更好的选择应该是促使天体转向。
Conway设计了一种可能的途径:在小行星上空爆炸一枚核弹头,这会
在星体的表面炸出一个陨石坑,大量蒸发物质随之喷出,从而推动星
体向相反的方向运动,这种情形与火箭的发射十分相似。Conway还研
究出了一种计算方法,只要给出天体轨道参数以及拦截成功与小行星
接近地球之间的时间间隔,人们就可以利用Conway的公式计算出应该
在什么时间将这颗天体推向何方才能确保地球的安全。对于自己的工
作,Conway说,尽管个头大的小行星、彗星撞击地球的可能性很小,
但破坏的潜能却是巨大的。这或许不是我们该为之失眠的事,但是从
另一方面来说,如果对此不做任何准备的话,那才是真正愚蠢的。

  在如何避免来自近地天体的威胁上,英国的三人特别行动小组与
Conway持相同的观点,但他们采用的方法却完全不同,他们认为可以
给这些天体安装一个太阳能装置,利用太阳能来完成这一艰巨的任务。

  虽然科学家们提出的方案目前还没有验证的机会,但它的确为担
忧的人们筑起一道安全的屏障(至少是从心理上),但这并非此项研
究的全部意义。三人特别行动小组的成员之一、伦敦大学的天文学教
授威廉姆斯说:“英国这样做不会拯救世界,但它有助于促进为了人
类生存而进行全球范围内的合作。”同样的观点在此前也曾不止一次
地被提出过。据说,半年前天文学会批准托里诺标准时之所以如此命
名是因为在都灵举行的那次会议很有纪念意义,各国科学家在会议期
间表现出的国际合作精神使会议组织者做出了上述决定。这对于会上
的人来说是褒扬,而对会外的人来说则是呼唤:当不同国家、地区,
不同民族、种族的人们为了一点点利益而舞刀弄枪、争斗不止的时候,
其实还有许多真正有价值的事在等着我们去做。



美国亚利桑那州的陨石坑,科学家们认为它可能形成于约2万年前,由一颗铁陨石撞击而成。是世界已知的大型陨石坑中最有名的一个


美国“大片”《天地大冲撞》(Deep Impact)中火光冲天的一幕。


科学家笔下的 通古斯大爆炸 。左为爆炸发生前两秒钟;中为爆炸发生时;右为爆炸发生几分钟后。作者:William K.Hartmann

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