陈蓝：小行星防御计划，中美的差距在哪、是否有望合作？
【文/观察者网专栏作者 陈蓝】
2023年3月23日有消息称，为进一步加快建立完善小行星监测预警系统，国家国防科工局重大专项工程中心近日前往中国航天科技集团有限公司五院总体设计部、北京理工大学宇航学院和中国科学院国家空间科学中心等单位进行了交流座谈。
不过，这个消息很快就淹没在信息海洋中。到网上一搜，更为吸引眼球的“小行星防御计划”出现频率则要高的多。其实小行星监测预警也是小行星防御计划的组成部分。很多人将小行星防御和小说《三体》中的“行星防御理事会”联系在一起，让它带上了不少科幻色彩。应该要感谢科幻小说和影视作品。无数以小行星撞地球为题材的大片，使得小行星对地球的重大威胁变得家喻户晓。
然而，小行星防御还真不是科幻或遥远的未来技术，更不是戏说或谣言。在科学界，它是一个非常严肃的现实课题。历史上的真实事件，包括6500万年前恐龙的灭亡和因此引发的物种大爆发、1908年神秘而威力巨大的通古斯大爆炸、2013年2月影像记录丰富的俄罗斯车里雅宾斯克陨石事件，早已显示了小行星撞击的严重性。行星防御其实是全人类的共识。
图1：车里雅宾斯克陨石撞击视频（图源：互联网）
近地小行星的定义是轨道远日点小于1.3天文单位（地日距离）的小行星，大致可理解成火星轨道内的小行星。那些穿越地球轨道的小行星对地球的威胁尤为严重。截至3月30日，直径一公里以上、可引发全球性灾难的近地小行星已发现90%以上，为854颗。可造成区域性灾难的直径140米以上的近地小行星估计有2.5万颗，目前只发现了10419颗。迄今累计已发现近地小行星31626颗，但近地小行星总数可能超百万颗。
这意味着，我们对绝大多数可能袭来的小行星都是茫然无知的。事实上，2008年之前所有撞击事件都是这样的，没有时间疏散避险，更谈不上拦截。所以，小行星防御的第一步，就是要尽早发现并预警。发现得越早，我们就有越多的时间做出应对。建立实时性更强的监测预警系统非常必要。
图2：地球附近小行星轨道（图源：NASA）
到目前为止，小行星一般都是通过光学望远镜发现的。但精确测轨、确定大小形状以及自转等天体特性，用超远程雷达（又称行星雷达）更有效。另一方面，无论是光学还是雷达，地面观察因为地球遮挡，有很大的盲区，无法实现全空域、全天时监测预警。所以，小行星监测预警不仅需要光学望远镜，还需要行星雷达；不仅需要地基观察网，还需要天基监测系统。
中国行星防御计划：起步晚，起点高
我国紫金山天文台长期观察小行星，上世纪50年代就发现过小行星。但我国近地小行星观察开展得比较晚。1995至1999年，北京天文台（现国家天文台）兴隆观测站使用60/90厘米施密特望远镜开展了持续4年的近地小行星搜寻，发现5颗近地小行星。2006年，紫金山天文台和南京天文仪器研制中心联合研制了一米口径的施密特近地天体探测望远镜，安装于盱眙。迄今它已发现1000多颗小行星，其中36颗近地小行星。
近年来，我国业余天文爱好者也参与到近地小行星搜索中。其中位于新疆的星明业余天文台尤为突出。星明台主持的多项业余巡天项目也包括了小行星搜索。2023年2月底，星明团队和中科院新疆天文台南山观测站开展深度合作，使用1米大视场光学望远镜，首次发现了一颗近地小行星2023 DB2。
2023年2月27日，国际小行星中心发布公告，确认了中国科学院紫金山天文台新发现的近地小行星 2023 DU。这颗直径约30米的阿波罗型近地小行星于北京时间3月5日近距离飞掠地月系统。这次提前预警显示中国的地基光学监测和预警系统已经具备了一定的能力。
不过，我国发现的近地小行星数量在国际上所占比例仍然非常小。所幸的是，最近几年我国天文事业迎来了高速发展的机会。位于青海冷湖、建设中的2.5米口径“墨子”大视场巡天望远镜，以及中国空间站巡天望远镜（CSST）都将成为近地小行星搜索的强大武器。
和光学观察相比，行星雷达更是我国的薄弱环节。不过，这个情况也将得到改变。2021年起，国家航天局联合有关部委，启动了我国近地小行星撞击风险应对的中长期发展规划论证。去年4月23日中国航天日，国家航天局副局长吴艳华表示，我国将建立地基和天基小行星监测预警系统。最近一年多来，我们看到了越来越多的报道，我国的小行星监测预警系统正在取得稳步进展，行星雷达的空白很快就会补上。
地基监测预警系统“中国复眼”行星雷达项目已经启动。它分三期建设。一期“分布式雷达天体成像测量仪验证试验场”位于重庆两江新区明月山，由4部16米孔径雷达组成，用于验证雷达体制和关键技术可行性。它已于2022年12月完成建设并成功拍摄了我国首幅月球环形山地基三维雷达图像。
图3：中国复眼二期效果图（图源：北京理工大学）
中国复眼二期位重庆云阳中洲岛，将由25部30米孔径雷达组成，已于今年2月14日破土动工，计划于2025年建成。它可探测千万公里外小行星。而未来的三期工程则计划将雷达单元数量扩展至上百部（名副其实的“复眼”），让我们的观测距离成倍提升，观测对象极大地扩展，对直径公里级的小行星探测距离达到上亿公里。它将成为世界上探测距离最远的行星雷达。
天基小行星监测预警系统在国际上几乎还是空白。说“几乎”，是因为加拿大十年前发射过历史上唯一的一颗专用小天体监测卫星（NEOSSat）。但它是一颗微纳卫星，仅重65公斤，能力十分有限。我国可能后来居上。文首提到的新闻无疑和天基监测预警系统相关，因为航天科技五院和中科院空间科学中心分别是国内最重量级的航天器和科学载荷研发机构，没有之一。这条新闻表明，中国的天基小行星监测预警系统离正式立项可能已经不远了。
那么，中国的天基小行星监测预警体系会是什么样的呢？
我们从多篇论文中可窥知一二。中国空间技术研究院提出了缩写为CROWN的异构宽视场近地天体勘测星座，拟在一根类金星轨道上部署数颗小卫星，其中包括一颗搭载窄视场红外望远镜的机动主星以及多颗搭载宽视场光学望远镜的微小卫星，计划在3到5年内完成90%以上十米量级的近地天体普查，同时进行精确定轨和跟踪详查。
紫金山天文台和国家空间科学中心则提出了一个名为“地球领航轨道”的天基监测预警任务概念方案。这个任务是在地球运行前方约千万公里的地球领航轨道上部署两台望远镜，当小行星从太阳一侧方向接近地球时，及时发出告警。
由国家航天局和中科院属下多家重量级机构联合发表的最新论文提出了在地月系统拉格朗日第四和第五点部署红外望远镜观测网络的方案。这个方案继承了月球探测工程的技术基础，同时可与类金星轨道、地球领航轨道等深空轨道构成互补, 共同形成近地小行星天基监测体系。鉴于这篇论文得到国防科工局空间碎片和小行星专项课题等多个国家级课题资助，未来成为现实的可能性很大。
图4：地基天基多个监测预警系统联合工作（图源：中国工程科学）
至于网上热度更高的中国近地小行星防御系统，其实是监测预警系统后的自然的下一步。这个计划的首次官方披露是在去年四月的中国航天日。国家航天局副局长吴艳华表示，要争取在“十四五”末期或者2025年、2026年实施一次对某一颗有威胁的小行星进行抵近观测，实施就近撞击，并就改变其轨道进行技术实验。
此后，龙乐豪院士和航天科技五院相关人士透露了更多详情。按设想，2.5吨的动能撞击探测器将由长征三号乙火箭于2025年7月发射。它类似美国的双小行星重定向任务，由撞击器和观测器两部分组成，计划于2026年2月抵达30米级的目标近地小行星2019VL5或2020PN1。任务将采用“伴飞+撞击+伴飞”方式来验证小行星动能撞击在轨处置和评估技术。
图5：中国近地小行星防御任务示意图（图源：CASC）
我国嫦娥二号月球探测器曾于2012年近距飞掠图塔蒂斯小行星。中国已进行多次成功的月球和火星探测。“天问二号”小行星探测任务也已经正式立项。它于2025年发射，一年后抵达近地小行星2016HO3，一次实现小行星绕飞探测、附着着陆和取样返回。之后探测器还将继续飞行七年，访问主带彗星311P。相比之下，计划中的小行星防御实验任务难度更低。以中国的航天的实力，完成这个任务应该没有任何问题。
不过，我们不能高估动能撞击技术的能力。和小行星的巨大质量相比，航天器的质量和动能微乎其微。对于那些对地球有重大威胁的大直径近地小行星，一次撞击远不能使其轨道偏离地球，或者让它解体而消除威胁。因此，这样的小行星防御任务只能看作是旨在丰富人类知识、进行小行星防御探索的科学实验。至于真正的小行星防御，中科院空间中心李明涛研究员的“以石击石”方案也许可行性更高。他提出捕获一个几米尺寸的小行星或石块去撞击对人类有威胁的小行星。这样能大大增加撞击动能，提高拦截成功率。
中国小行星防御长期落后，与先进国家的差距巨大，现在才算正式起步，但我们的起点非常高。上亿公里探测范围的行星雷达、天基监测预警系统和小行星防御探测器都是只有航天大国才有实力来完成。一旦实现，我们马上就能从“远远落后”变成“世界领先”。我们已经一次次目睹了这样的跨越式赶超。相信这次我们也不会错过。
美国：行星防御的先行者和主导者
美国小行星研究历史悠久，也是最早开始对近地小行星进行监测和预警的国家。这里不得不提一下创建于1947年的小行星中心（MPC）。MPC得到了国际天文联合会（IAU）的支持，目前由哈佛大学天文台和史密松森天体物理台合作运作。全球天文学家的小行星观察数据都会提交到MPC，再由MPC进行新发现小行星的确认和临时/正式编号的颁布。数十年来的数据积累使它成为目前全球最权威的小行星数据中心。仅仅因为MPC的存在，美国在近地小行星的发现、监测和预警方面就具备了巨大的优势。
1998年，根据当时光学观察预测，一颗公里级小行星1997 XF11将于2028年撞击地球（但后来被雷达观察否定）。鉴于这样的严重威胁，NASA决定在喷气推进实验室（JPL）成立近地天体计划办公室，承诺在10年内发现90%的公里级近地小行星。这个计划到2010年顺利完成。2005年，NASA又定下新的目标：2020年前发现90%直径大于140米的近地小行星，但到目前只完成了40%。直径140米以上小行星估计有2.5万颗。
由于美国拥有的历史积累和技术优势，在已发现的3万多颗近地小行星中，美国的发现占了95%以上。2008年至今，有7次撞击事件事先做出了预警。这些发现主要依赖大视场的地面光学巡天望远镜。历史上主要的近地小行星搜索项目包括卡特琳娜巡天系统（CSS）、夏威夷大学的Pans-STARRS1和ATLAS、麻省理工林肯实验室的LINEAR（已结束）、美国空军主持的NEAT（已结束）等。由美国多家政府和私人机构合作建造、位于智利的8.4米口径大型综合巡天望远镜（LSST）即将完成，届时将大大加快近地小行星的搜索进度。预计到2030年将140米以上近地小行星的发现比例提高到80%。
图6：LSST望远镜（图源：LSST）
已发现小行星的精确定轨和特性测量则依靠亚利桑那大学的Spacewatch等5家研究机构的多台光学望远镜及三台行星雷达。这三台雷达是：喷气推进实验室行星雷达、加州70米直径的金石太阳系雷达、波多黎各305米直径的阿雷西博射电望远镜（已倒塌）。NASA的深空测控网的天线有时也参与小行星观察。
图7：金石太阳系雷达（图源：NASA）
美国没有发射过专用的近地小行星监测卫星。但在2013年，NASA的宽视场红外勘测探测器（WISE）因制冷用氢耗尽无法进行既定的天体物理探测，于是便改变用途，用余下的两台设备专门用于近地小行星研究。它被重新命名为NEOWISE。至今它已对近1500个近地天体进行了观察。它和加拿大的NEOSSat是目前太空中仅有的两个近地小行星监测卫星。由于NEOWISE的轨道不断下降，美国计划在2026年发射它的继任者“近地天体勘测者”。
自上世纪90年代以来，美国已经执行多次小天体探测任务。2005年7月4日，NASA“深度撞击”彗星探测器释放的“撞击器”撞向坦普尔一号彗星的慧核。探测器拍摄了撞击过程，获取了宝贵的数据。这是人类航天器首次撞击小天体。虽然撞击目的不是要改变慧核轨道，但获取的数据对探索行星防御仍有重要意义。这次撞击在科学界和公众影响很大。相信它也对NASA后来的小行星防御计划产生了影响。
奥巴马执政后，布什时期重返月球的星座计划被取消。小行星成为新的载人飞行目的地。在最初的载人登陆小行星计划被否定后，NASA制定了一个雄心勃勃的“小行星重定向任务”（ARM），立项理由之一就是试验小行星防御技术。它要求一个无人航天器飞向一颗小行星，抓取它后再把它送到地月空间。然后发射载人飞船到这个小行星，由宇航员对小行星进行实地研究并采集样本带回地球。
不过，这个目标超过了NASA的实际能力，抓取的目标最后改成了小行星上的一块大石头。这样依旧能测试和演示很多小行星防御技术，比如小行星抓取、引力拖拽技术等。即便如此，它在技术和财政上依然存在很多问题。2017年，特朗普一上台就取消了这个ARM计划。
2016年，美国成立了行星防御协调办公室，负责行星防御长期目标的制定和执行，以及各机构和政府间的协调。“双小行星重定向测试任务”（DART）便是它实施的最重要的项目。2022年9月26日，总重570公斤的DART航天器以6.6公里/秒的速度成功撞击160米直径的小行星“迪莫弗斯（Dimorphos）”，使其围绕另一个小行星“迪迪莫斯（Didymos）”的轨道周期缩短了32分钟，大大高于预期（10分钟）。
图8：DART任务示意图（右上角为意大利伴星所拍撞击前后图像，可见远处的迪莫弗斯亮度急剧变化）（图源：NASA/ASI）
2023年3月1日《自然》杂志的论文给出了更多细节。撞击后小行星速度改变了2.7毫米/秒。撞击喷出物质的作用使动量增强了3.6倍。这是个令人鼓舞的结论。不过，其围绕的小行星质量和引力完全无法和地球相比。撞击产生的每秒毫米级的速度增量对改变冲向地球的小行星轨道可能无足轻重。行星防御依然任重道远。
必须承认，美国在近地小行星监测预警方面仍然拥有全球主导地位。作为唯一实施过太空实地试验的国家，美国的行星防御技术也遥遥领先。不过，它的后续计划似乎有点青黄不接。除了2026年的“近地天体勘测者”，NASA目前还没有公布其他相关的计划。
中美合作，人类之福
展望一下，到这个十年末，中国天基近地天体监测预警能力很可能会超过美国，而美国的地基监测能力和近地小行星领域的话语权将依然强大。在行星防御方面，中国计划进行的小行星防御试验可望追上DART的水平，甚至略有超出。更先进的行星防御技术（比如核能方案）对双方都是更大的挑战。
行星防御关乎全人类共同利益，是人类共有事业。无论监测预警还是主动防御，都要消耗巨大的资源，也许只有中美两个大国才有能力负担。如果两国能携手合作，合理分配资源、取长补短、协调行动，那定是人类之福。
而且，合作的空间很大。在监测预警方面，需要覆盖不同空间区域和时段，对不同来袭角度的小行星进行不间断监测。两国可以以区域和时段分工，针对普查（光学）和详查（雷达），部署多个地基和天基监测系统，集成在一起就是一个高效而完备的全球性系统。
行星防御方面，真正对地球有重大威胁的小行星质量巨大，DART级别的动能撞击器没有实用意义。可能需要发射大量（数以百计甚至更多）的重型撞击器。两国必须目标一致、统一行动。这是发挥中美经济和航天实力的时候。我们应该停下争论和对抗，尽其所能，携手保护地球、拯救人类。
联合国已经建立了近地小行星监测预警组（IAWN）和空间任务规划咨询组（SMPAG），它们应该成为合作的平台。以中美为核心，其他国家也可以参与进来，承担适合的职责。在小行星撞击这样一个全球性灾难来临时，全球合作可能是唯一的选择。
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