工作原理:如何用核爆炸摧毁一颗即将撞击地球的小行星

模拟显示,将地球的毁灭性武库释放到深空如何能够拯救地球
ESA - P.Carril

无论如何,它都萦绕在每个人的脑海中,存在于我们集体意识的某个角落。好莱坞深谙此道,并不断从中挖掘票房收入。科幻小说充斥着对此的描绘。化石记录数千年来都在对此发出警告。就连恐龙都曾短暂地对其产生了特别的憎恨。杀手小行星——我们甚至可能永远看不到它——可能终结地球上的生命,而人类对此无能为力。

这带来了一种难以想象的无助感,而罗伯特·韦弗的工作就是时刻思考这个问题。

韦弗是洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的科学家,他不搜寻杀手小行星,但他研究人类如何利用其庞大的核武库——旨在将彼此从地球上抹去——来拯救全人类免受灾难性小行星撞击的威胁。韦弗一直在洛斯阿拉莫斯国家实验室的Cielo超级计算机上进行模拟,以确定人类使用一次兆吨级核能源——大约是第二次世界大战末期袭击广岛和长崎爆炸的50倍——来减轻迫在眉睫的小行星威胁的能力。

当然,转移小行星的方法不止一种。只要有足够的时间,比如像小行星Apophis或2011 AG5那样,人类可以发射航天器到深空拦截小行星。这艘航天器可以撞击小行星,使其稍微偏离轨道,或者它可以与威胁擦肩而过,充当一种“引力拖拉机”,其微弱的引力作用会随着时间的推移将其推离碰撞轨道。甚至有人提出,航天器可以用激光轰击杀手小行星的一侧,加热它,从而改变其轨道特性和路径。

这取决于我们是否有时间。“从我的角度来看,核选项是针对我们之前未曾见过、几乎凭空出现且我们只有几个月时间来应对的突发性小行星或彗星,”韦弗说。换句话说,如果缺乏部署更巧妙方案的时间,我们可以采取最后的手段,用我们拥有的最大能量源将其炸毁。确切的小行星偏转任务会如何进行尚无定论,因为它从未被尝试过,但像韦弗这样的科学家正在努力模拟减轻即将到来的撞击的方方面面。这是我们希望永远不必使用的知识,但如果有一天我们不得不使用,它将是这样运作的。

拦截

韦弗在他的模拟小行星减缓任务中进行了全面的参数研究,包括各种变量,例如成分、构成小行星的岩石大小、小行星的孔隙率等等。但他必须从一些固定的参数开始。对于3D模拟(如下面的视频所示),他选择了模拟那个马铃薯形状的糸川(Itokawa)小行星,这是日本隼鸟号小行星着陆器于2005年访问过的同一颗小行星。

韦弗的模拟并没有涉及将核能源输送到小行星,尽管确实有人在研究这个问题。例如,每两年一次的行星防御会议上,全球合作伙伴会就将世界上最强大的武器用于和平目的而进行复杂的政治协商。

但我们知道我们可以在深空中拦截小行星。日本的隼鸟号探测器在过去十年中实际着陆并从糸川返回,而美国宇航局的曙光号探测器目前正在小行星带的小行星4号灶神星(4 Vesta)附近轨道运行。我们甚至通过美国宇航局的深度撞击任务撞击过一颗彗星,该任务将探测器送入了彗星9P/坦普尔(9P/Tempel)的中心。如果它足够近以至于构成威胁,我们可以与之会合。

引爆

韦弗的模拟显示了一些应该能增强人类在此项事业中的信心的事情:对于像糸川那样长椭圆形大小的小行星——直径约1640英尺——没有必要钻入小行星中心来减缓威胁。“我改变了爆炸的位置,从中心到小行星表面,沿着长边和短边,”韦弗说。“中心是最有效的,因为它直接将整个东西炸开了。但足够有效的是在小行星表面爆炸,包括短边和长边,其中短边最有效。一旦我发现这一点,我的研究就集中在表面爆炸上,因为它是一个更简单的任务。”

表面爆炸,也称为接触爆炸,实际上不会发生在表面。根据我们对小行星成分的了解——还有很多需要学习——许多小行星更像是巨大的、围绕轨道运行的岩石堆,而不是坚固的固体块。似乎有一个称为“表土层”的柔软尘埃层覆盖着像糸川这样的近地小行星,这个层可能深达30英尺。一个撞击到小行星的核能源可以轻易地穿透这个层,使其获得一定的动能优势,就像被埋在小行星内部一样。一旦能源直接接触到小行星,基本上就一切结束了。

“在模拟中你看到从小行星顶部喷出的巨大羽流,是爆炸附近所有被加热的岩石以高速被弹出小行星的结果,”韦弗说。“岩石之间发生了动能传递。这些岩石之间的相互作用将能量从表面传播到小行星的另一端,完全破坏了这些碎石堆。”

换句话说,爆炸会传递到整个小行星,将曾经紧密的碎石向各个方向散开。小行星的威胁不复存在。

事后

在模拟中,小行星基本上会解体,以核爆炸的威力将岩石向外抛射。但是对这种小行星减缓方式最明显的反对意见是,通过炸开小行星,我们可能会产生许多仍然足够大以威胁地球的小石块。此外,如果岩石没有被充分散射,小行星可能会在自身引力下重新聚集,使得核爆炸变得毫无意义。

但韦弗的模拟显示了一些令人意外的结果:爆炸从远离爆炸侧喷出的岩石以令韦弗都感到惊讶的速度被抛射出去。考虑到像糸川这样大小的小行星逃逸速度——构成岩石需要以逃逸小行星自身引力的速度——每秒不到一厘米,爆炸后小行星重新聚集的可能性几乎为零。

“在我的2D计算中,我看到被抛射到小行星另一侧的岩石的速度达到每秒几米,”韦弗说。“像我正在研究的这种小行星的逃逸速度是每秒几厘米。我计算出的被抛射岩石的速度为每秒一到十米,远超——数量级上——逃逸速度。这对我来说是一个惊喜,并给了我一些信心,这确实是一种有效的减缓技术。小行星不会重新聚集,也不会以一堆小岩石撞击地球的形式构成危险。”

当然,这都是根据计算得出的。

“这一切显然取决于拦截的具体位置、距离地球的远近、我们还有多少时间——这些都是未知的,直到我们发现一颗威胁性小行星,”韦弗说。“所有这些都是假设。我认为我首次带来的,是对这些不均匀、非圆形成分的真正经过验证的模拟,希望能让决策者更好地理解他们的选择。”

一旦这些选择明确,至少对于像糸川大小的威胁性小行星的场景,韦弗下一步将转向模拟更大、不同成分的岩石,范围将扩大到“恐龙杀手”(约6.2英里宽)。为此,韦弗和LANL将很快开始与劳伦斯利弗莫尔国家实验室合作,汇集计算和资金资源,将这类小行星减缓探索提升到一个新的水平,评估一系列潜在威胁。目前,这些杀手小行星只存在于LANL超级计算机上运行的模拟中。但情况不一定永远如此。

 

更多优惠、评测和购买指南

 
© .