我们是否已尽全力保护地球免受小行星撞击？

在2020年12月1日拍摄的阿雷西博射电望远镜的视频的前几秒钟，一切看起来都很正常。当然，支撑缆绳在前一年的8月和11月断裂，损坏了300米宽的碟形天线。而且当然，国家科学基金会已经计划让阿雷西博退役，这台仪器于1963年开始扫描天空。所以对于这台望远镜来说，情况并不乐观。但至少它还在那里。

这种情况在上午8点前发生了改变，仿佛接到命令一般，一缕尘土从一个支撑柱中喷出。事实证明，那是一根缆绳开始断裂。由于额外的负荷，其他缆绳也开始断裂。很快，曾经悬挂在碗状天文台上的巨大设备平台开始倾斜。在痛苦地向下摆动后，平台坠毁。更多的缆绳断裂，碎片像拆迁一样飞散。在视频的结尾，标志性的望远镜上可以看到巨大的洞，尘土在四周升腾。阿雷西博，至少在科学家们所知的意义上，已经消失了。

当月球与行星研究所的科学家埃德加·里维拉-瓦伦丁（Edgard Rivera-Valentín），也是阿雷西博行星雷达小组的前成员，点击观看视频时，他们只能忍受几秒钟。他们花了几天时间才看完完整的两分钟。“当一切都崩溃时，那是——我用‘悲剧’这个词，”里维拉-瓦伦丁说，他是波多黎各本地人。

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阿雷西博在科学发现方面有着悠久而传奇的历史，研究太空天气、寻找外星生命、为脉冲星测时、绘制中性氢气地图。但它也有一个非同寻常的声誉：它拥有世界上最强大、最灵敏和最活跃的行星雷达系统。该雷达可以穿透金星浓厚的大气层，绘制火星尘土飞扬的表面地图，但它也有助于保护地球免受小行星的撞击。数据显示了这些岩石的详细信息，揭示了它们是否可能构成威胁，并帮助人类弄清楚，如果小行星正朝我们飞来，他们可以合理地做些什么。“进行雷达探测的妙处之一是，你正在积极地保卫整个地球，”里维拉-瓦伦丁说。“所以如果有人问你，‘我为什么要关心？’，那就好像在说，‘我将确保小行星不会来找你。’”

阿雷西博的雷达工作属于“行星防御”的范畴：即识别和防止小行星（和彗星）与地球之间潜在碰撞的尝试，理想情况下，我们希望地球保持完整。

在任何一天，太空岩石毁灭性地撞击地球的可能性都很低。但这种灾难的后果将是严重的。我们太阳系的历史——行星表面布满陨石坑、最近记忆中其他行星上的撞击事件、巨大的物体呼啸着穿过地球大气层并被行车记录仪捕捉到——都证明了一个统计学真理，即在任何一天都不太可能发生的事件，在足够多的日子里确实会发生。这就是为什么美国国家航空航天局（NASA）设立了一个专门的办公室来解决这个问题；为什么许多天文设施收集预防性数据；以及为什么即将到来的太空任务将演示，如果太空岩石真的来袭，地球人可以做些什么。

但这一切都足够吗？随着阿雷西博及其雷达的退役，我们的行星防御武器库变得不足。美国和其他国家正在评估风险，集思广益寻找新的方法来保持领先于威胁，并制定可能在未来采取的行动计划。

计算太空岩石

行星防御一直受到“笑柄效应”的困扰。毕竟，小行星引发的末日似乎是科幻电影的素材，而不是严肃的科学。但在1994年一颗名为苏梅克-列维9号彗星径直冲向木星之后，官员们开始更多地关注这个问题。琳达·比林斯（Linda Billings）是美国宇航局行星防御传播工作的顾问，她记得这两者相撞的时刻。1994年7月21日——一系列撞击事件开始后的几天——她去了华盛顿特区海军天文台的开放日，在那里，天文爱好者可以观测木星。在天文台外的草坪上，业余天文学家们用自己的仪器对准这颗伤痕累累的行星。木星的引力将彗星撕裂成碎片，这些碎片涌入行星漩涡状的大气层，温度高达40000摄氏度，并将3000公里高的物质羽流喷射到太空。“我们有确凿的证据表明撞击事件会发生，”比林斯轻描淡写地说。

不久之后，美国空军官员发布了两份报告，《太空展望2020》（SpaceCast 2020）和《空军2025》（Air Force 2025），内容是军方在未来几十年内可以或应该采取哪些措施来减轻太空岩石的威胁。太空撞击是一个国家安全问题。第一份报告旨在弄清楚美国如何保持在太空中的“制高点”，报告中创造了“行星防御”这个术语。第二份报告的目标也大致相同，两者都描述了小行星探测和减缓，后者指的是在威胁出现时消除威胁的努力——例如，通过用航天器撞击小行星或在附近引爆核武器来转移小行星。

那时，现在因行星保护工作而闻名的科学家们是空军的一部分——例如，林德利·约翰逊（Lindley Johnson），现在是美国宇航局行星防御协调办公室的项目主管（也是SpaceCast相关部分的作者），以及皮特·沃登（Pete Worden），美国宇航局艾姆斯研究中心的前主任。他们和他们的同事警告说，文明有变成陨石坑的风险。但特别是在9/11事件之后，这个问题并没有像许多人希望的那样受到重视。约翰逊于2003年从现役退役。“美国宇航局说，‘过来吧。我们有份工作给你，’”他说。他的职责之一是负责美国宇航局的近地天体观测计划。今天，在很大程度上是约翰逊努力的结果，该计划已经发展成一个完整的行星防御协调办公室，他是该办公室的负责人。“坦率地说，一次未预警的撞击将是我们见过的最大的自然灾害，”约翰逊说。他的办公室希望使任何假设的撞击成为可以避免的事件。

为了实现这一目标，美国宇航局的办公室运行小行星数据收集计划，部分依赖于广域光学和红外望远镜，这些望远镜可以观测广阔的天空。亚利桑那大学和夏威夷大学运行的天文台与约翰逊的办公室合作，将其现有的望远镜改造成哨兵。该小组还在广域红外巡天探测器（WISE）于2011年最初退役后的几年里，将其改造成近地天体WISE（NEOWISE）。NEOWISE最近完成了其第14次全天巡天，目前正在进行第15次巡天。

与此同时，麻省理工学院林肯实验室的林肯近地小行星研究（LINEAR）软件目前安装在澳大利亚一个名为太空监视望远镜（SST）的空军资产上。该软件使这座军事天文台成为世界上最高产的小行星搜寻仪器（以某些指标衡量）。它已经发现了142个以前未知的近地天体、4个潜在危险天体和8颗新彗星。

这很棒，但不如国会希望的那么好。目前的官方任务是发现90%的直径为140米或更大的天体——根据约翰逊的说法，这个尺寸的撞击会导致“在任何地方都是非常糟糕的一天”。据估计，大约有25000个这样的坏家伙。“我们正在接近目标，也许到今年年底，我们将发现其中的10000个，”他说。这是20年努力的40%完成率。总的来说，科学家们已经发现了超过25000颗任何尺寸的近地小行星，其中大约19000颗被镜头捕捉到的直径大于30米。

取代阿雷西博

在全球范围内，30个太空组织——遍布从拉脱维亚到哥伦比亚，从中国到以色列，包括敬业的业余爱好者、国家航天机构和各个天文台——参与了国际小行星预警网络。该组织是在联合国建议下成立的，旨在协调我们脆弱星球上的观测和响应工作。自2016年以来，它已经记录了300多次近距离接近事件，即小行星预计将在一个地月距离——地球和月球之间的平均距离——范围内接近地球中心。它还协调了三次演习活动，以实践“可能应用于在相当短的时间尺度上接近地球天体的观测资源和特征描述能力”。

这很有用，因为当发现近距离逼近天体时，工作并没有结束。位于夏威夷、新墨西哥州和亚利桑那州等地的地面光学和红外望远镜会进行后续观测，以了解更多关于这些天体的信息，而不仅仅是它们的存在。行星雷达通常也在其中发挥作用，以改进新发现小行星的轨道，并预测它们未来的路径——绘制出这些天体未来几年的运行轨迹，以及它们是否可能与地球相交。雷达还有助于辨别小行星的形状、成分和轨迹。

阿雷西博的雷达观测工作原理如下：如果你向目标物体发射强大的无线电波，它们会反射回来，并因物体的自转、运动、形状和大小，以及小行星可能拥有的任何卫星而发生改变。它们返回所需的时间也揭示了物体与地球的精确距离。有了所有这些信息，你就可以改进它的轨道，并预测它在遥远的未来的位置，以及那个“位置”是否包括艾奥瓦州。你还可以了解它的属性——如果你必须改变它的轨道，这将很有用。它是致密的吗？多孔的吗？圆形的吗？花生状的吗？“当我们记录下返回的回波时，如果它与我们发射的信号有任何不同，我们就知道那是由于目标的属性造成的，在这种情况下，目标就是小行星，”月球与行星研究所的高级科学家帕特里克·泰勒（Patrick Taylor）说，他曾担任阿雷西博雷达计划的小组负责人。

获得雷达观测就像从地面安全地拍摄小行星的照片。“这有点像以极低的成本对航天器进行飞掠，”亚利桑那大学的艾伦·豪厄尔（Ellen Howell）说。“我们得到了它们作为单个岩石的照片，而不仅仅是光点。”这非常重要，因为正如行星科学家们喜欢说的那样，如果你见过一颗小行星，你就只见过一颗小行星。豪厄尔说，随着阿雷西博的陨落，“这种能力现在已被严重削弱。”这种观测现在、预测未来，然后改变未来的能力，可以将我们与过去那些可怜的家伙区分开来，他们只能承受来自太空的任何打击。“恐龙没有太空计划，”里维拉-瓦伦丁说。“但我们有。”

阿雷西博并不是美国唯一的行星雷达。还剩下一个——加利福尼亚州的戈德斯通太阳系雷达——但它探测到的近地小行星不到阿雷西博的一半。即使戈德斯通是完美的仪器，也会发生意外，如果它停运——就像在阿雷西博坍塌前大约18个月的维护期间那样——这个星球将不得不在太空中飞行，而看不到以前那么多的东西。“失去阿雷西博将使人们更多地思考下一步会是什么，”泰勒说。“无论那是什么，我也不知道。”

科学家们有一些想法。有些人希望建造阿雷西博2.0，在同一个岛屿地点合成许多较小的碟形天线，作为一个更大的碟形天线协同工作，从而恢复雷达能力。在西弗吉尼亚州的绿岸天文台，科学家们刚刚与国防承包商雷声公司进行了自己的演示，向月球发射雷达信号，并在美国各地的天线（甚长基线阵列）上接收反射信号，该阵列从新墨西哥州运行。他们希望这将为建立一个功能更强大的装置铺平道路，该装置可以进行小行星探测工作。“绿岸天文台的升级方案听起来对我来说很棒，”比林斯说。“但它尚未获得资助。”

即使获得资助，亚利桑那大学的迈克尔·诺兰（Michael Nolan）也怀疑绿岸天文台能否取代阿雷西博的能力。从一个地点发射，在另一个地点接收是一种数据密集型的方法，而从绿岸天文台同时进行发射和接收也有其自身的问题。“我没有看到我目前看到的任何东西会成为主力系统，”他说。例如，阿雷西博的假想替代品也没有获得资助。

而做什么的问题只是第一个障碍。还有一个更大的问题是谁应该来做。一些专家认为，科学界单独承担这个负担太重了。他们说，也许这项任务应该落在一个在长期规划方面拥有丰富经验，更重要的是，拥有稳定资金的组织身上。换句话说，就是国防部——特别是其新成立的太空部队。

阻止小行星

太空部队是军队的一个新分支，主要处理卫星及其安全保障，旨在跟踪从这里到月球的大大小小的物体，随着国际和商业活动——卫星、航天器、轨道制造系统、按次付费旅行——的增加。这项总体努力被称为空间态势感知，通常由光学仪器和远程雷达执行。虽然雷达正在监测轨道上的活动，但它也可以探测到恰好以与卫星相同的方向（但希望距离远得多）在太空中飞驰的小行星。美国宇航局和太空部队官员一直在讨论合作建立这样一个双赢的系统。“这不仅仅是集思广益，但我们尚未确定具体的概念，”约翰逊说，并指出讨论仍在进行中。2020年，这两个组织签署了一份谅解备忘录，同意在某些方面进行合作——包括行星防御和空间态势感知。太空部队将关于合作的问题转回给了美国宇航局。

然而，有些人希望扩大军事参与的想法。美国外交政策委员会高级研究员、空军大学太空视野研究工作组前主任彼得·加勒森（Peter Garretson）希望看到军方领导行星防御工作，特别是减缓工作。“美国宇航局主要是一个科学和探索机构。在我看来，这显然是一项防御任务，”加勒森说。“你不是为了科学而转移小行星。”

实际上，没有联邦组织专门负责转移小行星。但人们仍然在为此努力。能源部是深入参与这项工作的一个机构——你知道的，就是那个拥有核武器的部门。在洛斯阿拉莫斯国家实验室，凯茜·普莱斯科（Cathy Plesko）从事小行星减缓研究。她通过使用计算机模型研究火星上的撞击坑而进入行星防御领域。“但是你如何阻止形成陨石坑呢？”她想知道。有一天，实验室的一位资深天体物理学家说，他认为她用来模拟陨石坑的同类代码也可以用来模拟小行星减缓：它们将显示小行星在受到撞击时的反应——而不是它撞击某物时的反应。这正是她想知道的停止方法。

她开始研究这个问题，但实验室的工作并不广泛——直到2013年2月。那个月，一颗20米宽的小行星尖啸着穿过大气层，并在俄罗斯车里雅宾斯克州上空近30公里处爆炸，威力相当于约450千吨TNT当量，造成1600人受伤。与苏梅克-列维9号彗星事件一样，官员们睁大了眼睛。普莱斯科的团队加速运转，并与美国宇航局一起开始争分夺秒地了解，如果更大更糟糕的东西来袭，他们需要解决哪些物理问题。这项工作始于揭示小行星是由什么构成的，这是一个出乎意料的难题，而雷达提供了最佳的地球观测解决方案。“它们是瓦砾堆吗？它们有点像泥球吗？它们是铁块吗？”普莱斯科问道。“种类繁多。”这种多样性使模拟变得困难。如果你在计算机上模拟一架飞机，你确切地知道它的密度和形状。“我们没有小行星和彗星的这些规格，”她说。“这是我们必须弄清楚的事情。”

今天，普莱斯科正在研究各种可能性，以将不同类型的小行星从地球上移开。一种选择被称为引力拖拉机。你尽可能地靠近一颗太空岩石飞行尽可能重的航天器。“你的航天器可以在一段时间内将小行星或彗星引离其原始轨道，”她说。但这需要数十年的诱导，她估计，这项技术在一个世纪左右的时间里还无法准备就绪。

一些科学家已经研究过使用附着在小型航天器上的激光来加热物质并使其汽化，将其从表面抛出，从而——每个作用力都会产生另一个大小相等、方向相反的反作用力——将小行星向另一个方向推动。更直白地说，人们也可以在小行星撞击地球之前用航天器撞击它。或者：用镜子照射它，聚焦太阳光线，直到它脱落物质。用火箭移动它。给它涂漆以改变其热性能，从而改变其轨道。普莱斯科作为能源部的一员，也在研究更具爆炸性的菜单选择：“核对峙爆炸”。这意味着在近地天体附近引爆核武器，转移能量并抛出一些物质。就像其他技术一样，这也可以改变岩石的轨道，只不过效果更强，你知道的，更强有力。但对在小行星表面或表面以下爆炸炸弹的研究表明，它们可能会分裂成更小的碎片，从而带来自身的问题。无论如何，考虑到核弹的性质以及国际上禁止在太空部署大规模杀伤性武器，这个选项很快就会变得复杂。一个国家可能会以“为小行星做准备”为借口进行核扩散；此外，小行星是一种全球威胁，但一个国家将使用自己的武库来对抗它。“没有人会对此掉以轻心，”普莱斯科说。

每两年，全球社区都会上演一场《龙与地下城》式的角色扮演游戏，在游戏中，各机构会模拟他们对虚构的行星防御情景的反应。关于“撞击情景”的信息会提前在网上发布，每天都会在PPT风格的简报中透露更多信息。2019年，在与会者到达会议之前，他们就知道一颗直径在100到300米之间的岩石在未来八年内有1%的机会撞击地球。到第三天，他们知道它长260米，宽140米，笔直地朝着丹佛方向飞去。

当该小组制定了一项转移问题物体的任务时，一块60米宽的脱落碎片仍然朝着曼哈顿方向飞去。角色扮演者切换到灾难处理模式，研究如何疏散，如何处理化工厂和核电站，以及经济后果会是什么样子。游戏玩家今年（通过视频会议）重返桌面，调查一颗可能在短短六个月内来袭的小行星。整个演习“让人对做事情需要多长时间有一个现实的认识，”普莱斯科说。这不像好莱坞电影那样，她补充说，好莱坞电影更像是，“发现了一颗小行星；让我们发射东西。”尽管如此，以有意义的方式做出反应是人类可以完成的事情，即使比屏幕上慢得多。

试运行

很快，一项大胆的任务将测试我们在太空中移山填海的能力。双小行星重定向测试（DART）计划于2021年末或2022年初发射，旨在证明我们可以像改变一个任性青少年的道路一样改变小行星的路径。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的安德鲁·里夫金（Andrew Rivkin）是该任务调查小组的负责人之一，他开始研究小行星是为了基础科学——“太阳系起源”之类的东西。“无论你想回答什么问题，它最终都会以某种方式回到小行星，”他说。此外，他补充说，你可以在eBay上购买它们的一些碎片。

或者你可以建造一艘航天器来推动一颗小行星，正如里夫金现在正在做的那样。DART将前往双小行星系统Didymos，该系统有一颗名为Didymos的大型小行星和一颗名为Dimorphos的小卫星。然后，航天器将撞击这颗卫星，改变其绕其较大的同胞星运行的轨道，从而改变较大的同胞星绕太阳的运动。这艘610公斤的航天器将以每秒6.58公里的速度撞击48亿公斤（“小”）的Dimorphos，（科学家们认为）将其轨道周期改变约10分钟。由于Dimorphos本身的大小相当于一颗可能危及城市的小行星，科学家们希望看到他们能多好地将动量从航天器转移到太空岩石上。这是中等规模的减缓选项，介于“你要么用核武器炸它，要么躲在地下室里”之间，正如里夫金所说。它也是通过制造撞击来防止撞击。这种通用技术也适用于单小行星系统——你可以用航天器撞击一颗孤立的小行星——但科学家们有充分的理由选择双星系统进行这项测试：因为你可以实时观察卫星在较大的小行星前面经过，因此很容易测量你改变卫星轨道多少。

科学家们将在2022年撞击前大约一个月首次看到该系统——作为一个像素。“我们试图引导到那个像素，”APL的任务系统工程师埃琳娜·亚当斯（Elena Adams）说。在到达前一小时，他们将瞥见卫星并开始向其导航。“然后砰，我们失去所有联系，这很好，”亚当斯说。这意味着事情已经爆炸了。（“有人花钱让你做这个，对吧？”亚当斯欢呼雀跃。“你可以摧毁一艘价值2.5亿美元的航天器！”）

该团队希望戈德斯通雷达以及太空望远镜也能观看这场表演。“我们曾希望阿雷西博也能做到，”里夫金悲伤地说。收集到的数据，包括当时和事后的数据，将被输入到未来普莱斯科等科学家使用的模型中，以确定如何应对实际的小行星威胁。“像DART这样的项目，它们是为以防万一我们真的发现什么东西而准备的保险，”里夫金说。人们为火灾保险和洪水保险付费；他们检查地下室是否有氡气。“我们希望并期望氡气测试不会发现任何氡气，房子也不会着火或被淹，但我们正在尽我们应尽的职责。”

尽管里夫金很高兴人们不再认为行星防御是一个笑话，而是可以理解宇宙保险的效用，但他告诫不要对太空岩石感到焦虑。“如果人们因为小行星而夜不能寐，我希望他们是在思考所有酷炫的科学，”他说。事实上，正是科学——弄清楚如何探测、跟踪、预测和描述这些孤独的旅行者——使整个行星防御成为可能。反过来，行星防御使人类能够从宇宙中夺回一些控制权。“这是我们人类作为一个物种第一次有机会阻止一场自然灾害，”普莱斯科说。“我们无法阻止飓风或预防地震。我们不能只是用强力胶把圣安德烈亚斯断层粘合起来。”但是阻止一颗行星杀手呢？“如果我们需要这样做，”她说，“我真的相信我们可以做到。”

编者注（2021年5月20日）：本文在发布后进行了更新，以包括安德鲁·里夫金和埃琳娜·亚当斯的隶属关系。