小行星防衛網該升級了!-科學人雜誌
行星科學

小行星防衛網該升級了!

2021-08-01 史柯爾斯(Sarah Scoles)
地球上有多座用於監測小行星的望遠鏡, 其中最重要的一座在去年底損壞, 我們有其他防禦對策嗎?

重點提要

  1. 貢獻卓著的阿雷波西望遠鏡,可偵查具威脅性的小行星,協助避免小行星撞地球的災難。
  2. 然而,阿雷波西於去年底損壞而除役,等同於小行星防衛網破了大洞,許多國家正在思索該如何因應。
  3. 科學界已經提出七項對策,其中一項「雙小行星重新定向測試」即將於今年底或明年初實際驗證。

▲猝不及防:去年底,阿雷西波無線電望遠鏡的支撐纜線斷裂,並砸毀碟型天線,透過裂縫可以看見下方綠地。

去年12月1日在監視器影片中的最初幾秒,位於波多黎各的阿雷西波無線電望遠鏡(Arecibo Radio Telescope)看起來沒有異狀。雖然在此之前,望遠鏡的支撐纜線在同年8月和11月已經損毀,並砸壞下方口徑300米的碟型天線。負責營運的美國國家科學基金會(NSF)也已經計畫讓這座自1963年開始觀測天空的望遠鏡退役,儘管它的情況不佳,但至少還屹立不倒。


當天,阿雷西波望遠鏡尚無變化,但接近早上8點時,有些塵土從一根支柱噴出,然後一根纜線斷裂,其他纜線也因荷重增加而逐一斷裂。不久,原本懸在碟型天線上方的巨大儀器平台開始傾斜,歷經令人慘不忍睹的向下擺動後,最終墜落。接著是更多纜線斷裂,殘骸碎片像爆破般四處噴飛。在影片最後,可以看到這座夙負盛名的望遠鏡碟面上有個巨大破洞,四周塵土飛揚。科學家熟悉的那座阿雷西波望遠鏡,已經成為歷史。


美國月球與行星研究所的研究員黎維拉-瓦倫坦(Edgard Rivera-Valentin)曾是阿雷西波行星雷達團隊成員。當他點開影片幾秒後就感到心驚,得花好幾天才能消化僅兩分鐘的內容。黎維拉-瓦倫坦是波多黎各人,他說:「阿雷西波望遠鏡的倒下,簡直是悲劇。」


阿雷西波望遠鏡的科學史悠久而傳奇,例如太空天氣研究、尋找外星生命、波霎計時、測繪中性氫的分佈。但它還有特殊的重要用途:全球功能最強、靈敏且機動性高的行星雷達系統。它的雷達可以看透金星的濃厚大氣、描繪火星滿佈塵土的表面,還有助於防衛地球以避開小行星撞擊。科學家詳細檢視那些太空岩石的觀測資料,評估它們是否構成威脅,而且當小行星朝地球飛來時,也可藉此判斷如何應變。黎維拉-瓦倫坦說:「雷達觀測的優勢之一,是積極防衛地球。如果有人問:『這些跟我有什麼關係?』答案便是:『我們在防止小行星撞地球。』」


阿雷西波雷達的功用是「行星防禦」,也就是辨識小行星(與彗星),避免其撞擊地球;理想狀態下,我們希望地球安然無恙。


一般而言,太空岩石撞擊地球的可能性很低,可是一旦發生這類災難,後果會非常嚴重。回顧太陽系歷史,就發生行星被撞出的碎片撞上另一顆行星,近期也有行車記錄器拍攝到大型天體衝進大氣層。統計上,任何一天發生小行星撞擊事件的機率很低,但只要時間夠長,事情總會發生。這就是為什麼美國航太總署(NASA)有一整間辦公室的人員致力研究該問題,也有大量天文機構蒐集防備數據,甚至還有一項即將實施的太空任務,用於演練當太空岩石來襲時的因應對策。


但這樣就萬無一失嗎?當阿雷西波雷達除役,我們的小行星防衛網便破損。美國和其他國家正在評估風險,共同思考新的方法,在小行星撞地球之前搶先一步,為接下來可能發生的事制定計畫。


搜尋太空威脅

長久以來,行星防衛因「看似笑話」而不受重視。畢竟,小行星撞擊引發災難聽起來像是電影題材,而不是嚴謹的科學。但是在1994年,修梅克-李維9號彗星直接撞上木星,美國政府便開始關注。畢林茲(Linda Billings)是NASA行星防禦通訊任務的顧問,她回憶這起撞擊事件:1994年7月21日的前幾天,已經發生一連串撞擊事件,當天她前往美國華盛頓特區,參加美國海軍天文台開放日,那座天文台可以觀測木星。在室外草地上,業餘天文愛好者運用儀器觀看這顆傷痕累累的行星。木星的重力已把修梅克-李維9號彗星扯碎,碎片接連撞入木星的大氣渦旋,溫度高達四萬℃,向太空噴出的煙狀物質比表面高出3000公里。畢林茲低調說:「我們有確切的證據,撞擊真的會發生。」


▲禍從天降:2013年2月15日早晨,一顆體積有如房屋的小行星衝入地球大氣層,在俄羅斯車里雅賓斯克上空爆炸。這起事件提醒我們,太空岩石擊中地球的潛在風險。


不久,美國空軍發表了兩份報告:〈2020太空投擲〉(SpaceCast 2020)和〈2025美國空軍〉(Air Force 2025),表示美軍有機會或理當在數十年內減少太空岩石的威脅。小行星撞地球是國際安全問題。第一份報告指出,美國能夠維護太空中的「軍事優勢」,並使用了行星防禦一詞。第二份報告的目標大致相同,這兩份報告皆描述偵測小行星並減緩災難的方式,也就是說,當小行星撞擊時該如何降低衝擊,例如用太空船把它撞偏,或在小行星周圍引爆核子武器。


有幾位科學家當時任職於美國空軍,如今因行星防禦相關研究而遠近馳名,例如NASA行星防禦協調辦公室研究主任、〈2020太空投擲〉共同作者強生(Lindley Johnson),以及曾擔任NASA艾密斯研究中心主任的沃登(Pete Worden)。他們與同事提出警告:人類文明可能毀於隕石撞擊。但這件事引發的關注並不如預期,尤其是在911事件之後。2003年,強生從美軍退役,他回憶道:「NASA說:『我們對你寄予厚望。』」他負責執行NASA的近地物體觀測計畫(Near-Earth Object Observations program)。近年成立的行星防禦協調辦公室,主要歸功於強生的努力成果。強生表示:「坦白說,無預警的撞擊將是最嚴重的天然災難。」行星防禦協調辦公室希望能避免任何可能發生的撞擊。


為了達到這個目標,行星防禦協調辦公室推動計畫蒐集小行星的資料,其中某些任務借助可觀測寬廣天區的廣角可見光及紅外光望遠鏡。美國亞利桑那大學及夏威夷大學的天文台也與該辦公室合作,改裝既有的望遠鏡成為監測小行星的前哨站。該辦公室把已於2011年退役的廣角紅外巡天探測衛星(WISE),延役為「近地物體WISE」(NEOWISE)。NEOWISE最近完成了第14次巡天項目,正在進行第15次。


與此同時,美國麻省理工學院林肯實驗室的林肯近地小行星研究中心(LINEAR)所開發的軟體,已安裝在隸屬美國空軍、位於澳洲的太空監測望遠鏡(SST)上。在某些意義上,這座軍事天文台透過該軟體,成為全球偵測到最多小行星的儀器:142顆先前未知的近地物體,其中四顆具潛在危險,八顆是新彗星。


儘管頻傳捷報,但美國國會不甚滿意。近來美國政府要求,針對寬度大於140公尺的近地物體,必須找出其總數的90%。強生表示,這類近地物體若撞上地球,「無論撞到何處,都將傷亡慘重」,估計約有2萬5000顆,「我們正逐步達成目標,今年底前或許可發現其中一萬顆。」也就是說,努力了將近20年,已達成40%。總體來說,若不計大小,科學家已發現超過2萬5000顆近地物體,拍攝到其中寬度大於30公尺的約1萬9000顆。


誰能取代阿雷西波?

全球有30個太空組織加入國際小行星預警網絡,參與國有拉脫維亞、哥倫比亞、中國及以色列等,其中包括熱情的業餘天文愛好者、國家級太空機構和獨立天文台。這個聯盟依據聯合國建議而成立,希望串連我們這顆脆弱行星上的觀測和應變能力。自2016年開始,該聯盟已記錄超過300次近距離飛掠地球的小行星,也就是該近地物體與地心的距離小於地月距離(地球與月球的平均距離);該聯盟也舉辦了三次活動,演練「在短時間內,動員近地物體觀測資源與辨識的能力」。


這很有用,因為這項任務並非在發現近地物體後就中止。分別位在美國夏威夷、新墨西哥州和亞利桑那州的地面可見光與紅外光望遠鏡,會進行後續觀測,除了證實該近地物體的存在之外,必須了解更多細節。行星雷達扮演的角色是精確計算出這類小行星的運行軌道,並進一步預測其路徑,確認幾年內的動向以及是否與地球運行軌道交錯。雷達也有助於辨識小行星的外形、組成以及軌道。

阿雷西波這類雷達觀測的運作方式是:朝物體發射的強力無線電波,碰到物體後會反射,反射波的特性會因為該物體的自轉、運動、形狀與大小而改變,也和其可能擁有的衛星有關。無線電波來回的時間代表物體與地球的確切距離。根據這些資訊,可以仔細確認該物體的運行軌道並預測日後位置,以及那些「位置」是否撞上例如美國愛荷華州。透過無線電波能了解該物體的基本性質,例如質地是緻密或多孔、形狀是圓是扁,了解這些性質有助於把小行星撞偏。曾擔任阿雷西波雷達計畫組長、月球與行星研究所的資深研究員泰勒(Patrick Taylor)說:「當發射波與反射波不同,便知道這是目標物的性質所致,我們研究的目標物是小行星。」

進行雷達觀測就像安全從地表對小行星拍照。亞利桑那大學的豪威爾(Ellen Howell)說:「這有點像運用太空船飛掠,但相比之下成本極少。我們可以拍攝每顆岩石,而不只是一個光點。」這很重要,因為行星科學家老愛說,每一顆小行星都獨一無二。豪威爾接著說:「現在失去阿雷西波望遠鏡,觀測能力嚴重下降。」原本可以根據現在的觀測,用於預測並改變未來,使人類不至於走上恐龍的悲慘命運,牠們只能無條件接受從太空落下的任何東西。黎維拉-瓦倫坦說:「恐龍沒有太空計畫,但人類有。」

阿雷西波雷達並非美國唯一的行星雷達。另一座是位在加州的金石太陽系雷達(Goldstone Solar System Radar),但它發現的近地物體數量不及阿雷西波雷達發現的一半。即使金石太陽系雷達是絕佳儀器,還是會有其他麻煩事,例如阿雷西波雷達損壞之前,它正在進行為期18個月的維修,而我們就無法像之前那樣防衛地球。泰勒說:「失去阿雷西波雷達,使我們更認真思考下一步。但我並不清楚下一步是什麼。」......




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