小行星撞擊地球，輕則引起小範圍傷亡，重則引發上千萬人口死亡與大規模物種滅絕。那麼，小行星撞擊地球是否遵循一定的規律，其活動性是否存在一定的週期？人類如何提前發現那些會撞擊地球的小行星？在發現它們後，我們又該怎麼辦？

這是賽先生2017科普創作協同行動的第18篇文章。

題圖：位於夏威夷群島第二大島毛伊島海勒卡拉山上的全景式巡天望遠鏡和快速反應系統（the Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System，簡稱“Pan-STARRS”或者“PS”）的前兩臺望遠鏡：PS1與PS2。這個望遠鏡系統的主要任務是監測那些可能撞擊到地球的小行星與彗星。（圖片來源：http://pswww.ifa.hawaii.edu）

撰文 王善欽（加州大學伯克利分校天文系）

編輯 丁家琦

小行星（與彗星，以下統稱為“小行星”）撞地球，始終是人類生存的一大威脅。許多人認為6600萬年前恐龍滅絕與小行星撞地球有著直接的關係，那次撞擊發生於墨西哥灣C型海岸線的末端。

圖左：6600萬年前的一顆小行星撞擊墨西哥的藝術想象圖（來源：David A. Hardy）；圖右：位於墨西哥的Chicxulub 隕石坑（圖中圓圈）。許多人認為 6600 萬年前的一顆小行星在撞擊出這個隕石坑之後，滅絕了恐龍。（來源：youngzine.org）

2013年2月15日，一顆直徑僅僅15米的隕石在俄羅斯車里雅賓斯克市上空破碎墜地，導致1千多人受傷。據科學家的估算，那些直徑約1千米的小行星以每秒幾十千米的速度撞擊地球，產生猛烈衝擊波、熱浪與可能伴隨的海嘯或地震可能導致局部地區死亡上千萬人口，而每隔幾千年這樣的爆炸就會發生一次。更大的小行星更加危險。只不過大部分撞擊發生於遙遠的大洋之中，才讓人類多次倖免於難。

這些不受歡迎的不速之客威脅著人類的生存與發展。那麼，小行星撞擊地球的行為有規律可循嗎？如果又有小行星撞擊地球，我們該怎麼辦？

小行星撞擊地球的行為有規律可循嗎？

我們先討論第一個問題：小行星撞擊地球的行為有規律可循嗎？這個問題非常重要：如果有規律可循，我們就可以提前預知下次撞擊的時間，做好充分準備。

學術界長期存在一個看法：小行星撞擊地球是一個週期性行為，每2600萬年出現一次爆發性的頻繁撞擊事件。有些人進一步提出，這是因為太陽有一個難以看到的伴星，每隔2600萬年就擾動太陽系外圍的奧爾特雲，導致大量岩石天體落向太陽系中心，從而導致有些天體撞擊到地球。

這個想法源於1984年2月Raup與Sepkoski在美國國家科學院院刊（PNAS）發表的一篇論文，此文認為地球上每隔大約 2600 萬年就有一次大規模的物種滅絕。

同年4月，《自然》（Nature）雜誌的同一期出現了兩篇論文，一篇是路易斯安那大學拉法葉分校的Whitmire與計算機科學公司的Jackson所寫[1]；另一篇是加州大學伯克利分校的Alvarez與Muller所寫[2]。

2016年青年冬奧會上捷克雙人滑組合Anna Duskova與Martin Bidar的雙人聯合旋轉（圖片來源：Clément Bucco-Lechat/CC BY-SA 4.0 International）

這兩篇論文都提出一個假設：太陽與一顆伴星構成雙星系統，二者繞著共同的中心公轉（如同上圖中的花樣滑冰的男女運動員在場地共同旋轉）。前一篇論文認為這顆伴星是褐矮星，後一篇論文認為伴星是紅矮星。根據這個假設，每隔2600萬年，太陽的這顆伴星穿過太陽系外圍的奧爾特雲，巨大的引力搖動了其中的大量星體，這些星體飛向地球，其中個別成員撞擊地球，造成了大規模的物種滅絕。這顆恆星被命名為“Nemesis”，這是希臘神話中的復仇女神，因此這個星體也被稱為“復仇女神”。 這個假設中的伴星與太陽最近時只有1光年，最遠時也才3光年（見下圖），比至今為止被發現的距離地球最近的恆星——比鄰星——還近，比鄰星距離地球約4.25光年。

假想中與太陽（SUN）一起構成雙星系統的“復仇女神（NEMESIS）”，圖中×代表這個系統的質心（共同的質量中心）的位置。最下方是太陽、“復仇女神”、比鄰星三者的位置比較，太陽與假想中的“復仇女神”最近時的距離為1光年，最遠時距離3光年。（圖片來源：Richard A. Muller）

不過，這個“復仇女神”很可能根本不存在。如果它是一顆紅矮星，此前的光學望遠鏡足以發現它；如果它是褐矮星，最近幾年運行的寬場紅外紅外巡天探測器（Wide-field Infrared Survey Explorer，WISE）也足以發現它，因為WISE可以觀測到10光年以內溫度低到150開爾文（零下120多攝氏度）的褐矮星。但光學望遠鏡和WISE都沒有發現它。所以，2011年，NASA在近地天體風險評估方面的資深科學家Morrison 撰文否定了“復仇女神”以及類似天體的存在性。

不過，即使否決了“復仇女神”的存在，2600萬年的滅絕週期似乎還是客觀存在的，而且也很可能與小行星撞擊有關。這方面最近的一個結果是紐約大學生物系的Rampino與斯坦福大學卡內基科學研究所的Caldeira二人做的，他們分析了過去2.6億年中的撞擊隕石坑，認為確實存在2600萬年的週期規律，文章於2015年底發表於《皇家天文學會月刊》（MNRAS）第454卷[3]。

如果（小行星撞擊地球導致的）大滅絕事件確實以2600萬年為週期，那麼下一次大撞擊將發生於大約1000萬年之後，人類在整整1000萬年之間還不用擔心大滅絕，而到1000萬年之後，人類（如果還沒有被內鬥玩到滅絕）的科技水平肯定足以在小行星撞過來之前將其摧毀。

然而，今年（2017年）1月，蘇黎世聯邦理工學院地球化學與岩石學研究所的Meier與隆德大學地質系的Holm-Alwmark 發表在《皇家天文學會月刊》第467卷的一項研究將這個稍顯美好的假設給推翻了[4]。

Meier與Holm-Alwmark分析了過去5億年內形成的、可以精確確定撞擊時間的撞擊隕石坑，他們採用分析了過去的數據，發現了此前的研究對隕石坑的產生時間有錯誤，最終他們得到了一個列表，包含了26個隕石坑的精確紀元，誤差在百分之一之內。這些隕石坑除了三個直徑在10公里內（分別為2、4、8公里）之外，其餘的直徑都在10公里以上，最大的直徑達到300公里。去除那些超過5億年的4個，剩下的22箇中最大的就是被視為滅絕恐龍的小行星撞擊出的Chicxulub 隕石坑，其直徑為170公里。

根據作者們的表格，這些在5億年內形成的隕石坑產生的時間與現在的時間間隔由近到遠分別為：14.83、30.0、35.67、50.37、65.82、66.07、76.20、145.2、193.8、202.7、214.56、227.8、231.0、254.7、286.2、380.9、395、461、461、462、465、485.5（單位：百萬年）。因此，僅僅一部分隕石坑的形成時間符合2600萬年（26百萬年）的週期性，更多的隕石坑的形成時間不符合這種週期性。

此外，Meier與Holm-Alwmark還發現，這些事件中的一些時間有“結團性”，即，它們幾乎在同一時期發生。比如處於墨西哥的Chicxulub 隕石坑發生於 6607萬年前，而位於烏克蘭的Boltysh 隕石坑發生於6582萬年前，二者幾乎在同一時期產生，中間值相差僅約 25 萬年。此外，2.29億年前後有兩次重疊，相差僅約300萬年；4.62億年前後有四次重疊，相差不到400萬年，顯然都遠小於2600萬年的週期。此前的研究者忽略了這種“同一時期產生多個事件”的情況，這是他們得到週期性的錯誤結果的原因之一。

Meier與Holm-Alwmark的研究意味著，小行星撞擊地球的方式並不是週期性的，而是隨機發生的。我們原本可以指望人類在1000萬年後再遭遇小行星，將其當靶子打著玩，但現在看來，沒有指望了。也許它們幾百年後就會來——誰也說不準。

如何監測四處亂飛的小行星

既然無法指望小行星一千萬以後再來撞擊地球，而且它們的到來毫無規律，那麼，我們要做的就是監測所有可能威脅到地球的小行星。這些小行星四處亂飛，有些在過去一些年裡已經與地球擦肩而過。

那麼，人類如何監測這些到處亂飛、可能砸到地球的小行星？對於那些比較大（直徑超過1千米）的小行星，天文學家早已使用多個望遠鏡進行監測。而對於那些直徑為幾十米到幾百米的小行星，天文學家專門部署了一個大殺器：全景式巡天望遠鏡和快速反應系統，英文全稱是the Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System，簡稱“Pan-STARRS”，進一步被簡稱為“PS”。為了簡潔，下面直接簡稱這個系統為“PS望遠鏡系統”。

PS望遠鏡系統由美國空軍資助，夏威夷大學天文研究所發展、管理、操作，來自6個國家的14個機構參與，首席科學家是Kaiser。這個系統的第一個望遠鏡（簡稱“Pan-STARRS1”或“PS1”）於2008年底安裝完畢，位於夏威夷州毛伊島（夏威夷群島中的第二大島）的海勒卡拉山上。它於2009年3月正式運行，2010年5月13日開始全時段的科學觀測。現在該系統已經建成兩個望遠鏡（PS1與PS2）。

全景式巡天望遠鏡和快速反應系統（the Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System）的一臺望遠鏡的圓頂與其內部的望遠鏡。（來源：Jeff Valenti）

PS望遠鏡系統的功能非常強大，雖然它所用的望遠鏡口徑只有1.8米，屬於中小型光學望遠鏡，但其相機的CCD（負責感光，並將影像轉化為數字信號的元件）像素高達14億，是當今世界像素最高的CCD，作為對比，我們所用的手機相機的像素一般是1000萬左右。PS望遠鏡系統全部建成後，有4個望遠鏡。該系統每晚巡天面積可以達到6000平方度，夏威夷可以看到的天區是3萬平方度（整個天區的面積是41253平方度），四五個晚上就可以掃完這些天區。

PS望遠鏡系統不僅可以觀測太陽系內部暗淡的小行星，還可以觀測其他天體物理現象，比如變星以及非常遙遠（上百億光年遠）的超新星。但對於人類安危來說，這個系統最重要的功能當然依然是觀測太陽系內的小天體。由於它無比靈敏的CCD，它可以發現其他所有望遠鏡無法發現的暗淡天體，並將那些可能危及地球的天體登記在冊，不斷監測。它可以監控未來幾十年內可能靠近地球的危險小行星的運動，及時預警，讓人類做好準備。

在2010年開始觀測後不久，PS望遠鏡系統就於9月16日發現了一個可能威脅到地球的、直徑幾十米的小行星，研究人員將其命名為“2010 ST3”，它於10月份掠過地球附近，距離地球約644萬公里，這個距離是地球半徑（約6400公里）的1000倍。當時，其他所有望遠鏡都沒有發現這個天體。因此，這次發現測驗了PS對危險天體獨一無二的監測能力。

2010年9月16日晚，PS1相隔15分鐘拍攝的2010 ST3小行星的兩張照片（來源：PS1團隊）

早期的PS望遠鏡系統每年可能發現數萬顆小行星，在4臺望遠鏡全部安裝啟動後（完全版PS），每年可以發現的小行星將更多。

如果小行星撲面而來，我們該怎麼辦？

如果PS望遠鏡系統以及將來的其他類似系統監測的某些小行星恰好能夠擊中地球，那我們該怎麼辦？對於這類最危險的小行星，人類的首選方法只有兩個：毀滅它們，或者改變它們的軌道，使它們無法擊中地球。

監測系統只能監測小行星，無法毀滅小行星，也無法改變小行星的軌道，執行毀滅或者變軌任務的只能是其他相關機構，比如各大國軍隊與各國的航天局（如NASA、ESA以及中國的航天機構）合作，將核武器甚至在未來開發出的更強大的武器發射到太空，炸燬危險的小行星，或者通過轟炸或推動，使其改變軌道。這樣的任務在不遠的將來是可以完成的。

我們還要考慮更嚴重的問題：如果被監測到的最危險小行星太大或者太快而無法炸燬或者驅趕走，或者相應的任務出現偏差甚至失敗（比如巨型炸彈沒有擊中小行星），那麼我們該怎麼辦？此外，監測系統並不能確保將所有危險小行星都及時監測到，總有漏網之魚在很接近地球時才被發現，像埋伏的敵人一樣突然出現，人類來不及採取炸燬或者驅趕措施，那又該怎麼辦？

這個時候，就只能立即將可能被擊中與波及的地區的所有人轉移到其他地方。當然，具體情況還要具體分析。比如，如果小行星墜落在大洋正中央，那可能只是引發局部海域巨浪滔天，對陸地影響很小，基本上不用轉移人群（除非特別特別大的小行星以特別大的速度撞擊）。如果落在距離海岸線不遠的海洋裡，就可能引起海嘯，淹沒沿海城市鄉鎮，這種情況下，就必須提前撤離海邊人群。如果落在陸地上，那就會引起衝擊波、熱浪、地震、大火、濃煙，這種情況下，就必須提前撤離當地以及附近的人員。當然，如果被撞擊的地方以及附近是無人區，那自然不用撤離。

如果來不及撤離，那就只能躲進事先建設好的防空洞或者坑道系統。因此，“深挖洞、廣積糧”這個策略其實還沒有過時，也絕不僅僅是用來防止核武器與常規空襲的手段。

較大的小行星撞擊到地球陸地，不僅會造成地面建築被大規模破壞，產生可能的傷亡（因為總可能有來不及撤離的人），還會產生大量的煙塵，遮天蔽日，甚至造成氣候變化。這種情況下，人類還必須啟動人工除塵的行動，儘快消滅塵埃雲。

總結

小行星撞擊地球，並無規律可循，更不存在固定的週期。人類對於這類天降橫禍，第一層保護網是用先進技術手段監測，第二層保護網是動用毀滅手段與驅趕方法，消除威脅。在最壞的情況下，還要做好小行星撞擊地球的精確地點的測算與人群大規模轉移工程，這是構建保護網的第三層系統。至於撞擊後恢復環境與重建家園的行動，則屬於善後。

所有這些問題，都應該引起各國政府的高度重視，開啟監測系統還只是第一步。人類發展大量威力巨大的武器，絕不應該用以彼此屠殺，而應該用來保護當前人類的唯一家園——地球。

隨著人類科技的不斷髮展，人類在監測、摧毀、驅趕危險小行星方面的能力也將穩步提高。應對極個別小行星撞擊事件的能力也必然提高。將來太空技術發達之後，人類有可能在太空中進行“炸燬小行星”的軍事演習。

科學家與工程師們有信心在不遠的未來就有能力使人類免於小行星撞擊之難。

後記：

以前總有朋友問我研究天文有什麼用？一開始我會回答說：“沒有實際用途，純理論的研究，或者滿足好奇心的觀測研究。”這樣的回答總會讓朋友失望。後來我會這麼回答：“天文學研究過程中開發出的各種技術，可以在未來用於監測那些撞向地球的小行星，然後下指令摧毀它們，避免人類被毀滅。所以看上去天文學沒有什麼用，但是用得上的時候對人類最有用。”於是提問者頓時對天文學家肅然起敬。

附錄：

[1] Whitmire, D. P. & Jackson, A. A. Nature 308, 713 - 715 (1984)

[2] Alvarez, W. & Muller, R. A. Nature 308, 713 - 715 (1984)

[3] Rapino, M. R. & Caldeira, K. MNRAS 454, 3480–3484 (2015)

[4] Meier, M. M. M. & Holm-Alwmark, S. MNRAS 467, 2545–2551 (2017)

賽先生系今日頭條簽約作者

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