工作原理:用核爆摧毀來襲的致命小行星 工作原理:用核爆摧毀來襲的致命小行星

工作原理:用核爆摧毀來襲的致命小行星

工作原理:用核爆摧毀來襲的致命小行星

無論如何,它縈繞在我們每個人的心頭,潛藏在我們集體意識的深處。好萊塢深諳此道,並不斷從中挖掘票房潛力。科幻作品中充斥著它。化石記錄跨越數千年發出警告。就連恐龍也曾對它產生過一種特殊的、儘管短暫的厭惡。那顆致命的小行星——我們或許永遠無法預料它的到來——可能終結地球上的生命,而人類卻無能為力。

它造成了一種難以想像的無助感,而羅伯特·韋弗的工作就是時時刻刻思考這種無助感。

韋弗是洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的科學家,他並不從事尋找致命小行星的工作,而是研究人類如何利用其龐大的核武庫——這些核武庫原本是為消滅彼此而設計的——來拯救全人類免遭災難性小行星撞擊。韋弗一直在LANL的Cielo超級電腦上進行模擬,以確定人類能否利用當量為100萬噸的核能源來緩解即將到來的小行星威脅。這種核能的威力大約是二戰末期投向廣島和長崎的原子彈的50倍。

當然,改變小行星軌道的方法不只一種。如果能像阿波菲斯或2011 AG5小行星那樣提前預警,人類就可以發射太空船前往深空攔截小行星。太空船可以撞擊小行星,使其軌道略微偏離;也可以與小行星並肩飛行,充當“引力牽引器”,利用其微弱的引力逐漸改變小行星的軌道。甚至有人提出,太空船可以用雷射轟擊小行星的一側,加熱到足以改變其軌道特性和運行軌蹟的程度。

前提是我們有時間。 「在我看來,核選項適用於我們從未見過的、突如其來的小行星或彗星,它們就像憑空出現,而我們只有幾個月的時間來應對,」韋弗說。換句話說,如果沒有足夠的時間部署更完善的方案,我們可以動用最後的手段,用我們掌握的最強大的能源將威脅徹底摧毀。由於從未嘗試過,我們無法確切地知道小行星偏轉任務會如何進行,但像韋弗這樣的科學家正在努力模擬減輕撞擊體影響的各個方面。我們希望永遠不必用到這些知識,但如果真的需要,這就是它的運作方式。

攔截

韋弗對他的模擬小行星減緩任務進行了全面的參數研究,其中包括各種變量,例如成分、構成小行星的岩石大小、小行星的孔隙率等等。但他必須從一些固定參數開始。在三維模擬中(如下影片所示),他選擇模擬馬鈴薯形狀的小行星絲川(Itokawa),這顆小行星正是日本隼鳥號小行星探測器在2005年造訪過的那顆。

韋弗的模擬並未涉及向小行星運送核能源的問題,儘管確實有人在研究這個問題。例如,在每兩年一次的行星防禦會議上,全球合作夥伴會討論將世界上最強大的武器發射到太空用於和平目的所涉及的棘手政治問題。

但我們知道我們可以在深空中攔截小行星。日本的隼鳥號探測器在過去十年中成功登陸並返回了絲川小行星,而NASA的黎明號探測器目前正在小行星帶中的灶神星4號軌道上運行。我們甚至之前也撞擊過彗星,NASA的深度撞擊任務將偵測器送入了坦普爾9P彗星的中心。如果小行星離我們夠近,足以構成威脅,我們就可以與它進行會合。

霹靂

韋弗的模擬結果顯示,對於像絲川小行星這樣形狀和大小都與它相仿(直徑約1640英尺)的小行星來說,無需鑽入其中心即可消除威脅。 「我嘗試了不同的爆炸位置,從小行星中心到其長邊和短邊的表面,」韋弗說,「中心爆炸的效果無疑是最好的,因為它能將整個小行星炸得粉碎。但小行星表面爆炸也同樣有效,無論是在長邊還是短邊,其中短邊的效果最佳。發現這一點後,我的研究重點就放在了表面上,因為這要簡單得多。」

表面爆炸,也稱為接觸爆破,實際上並非直接發生在小行星表面。根據我們對小行星成分的了解——當然,我們還有很多未知領域——許多小行星更像是圍繞著軌道的大量小岩石堆,而不是堅硬的固體塊體。像絲川小行星這樣的小行星表面似乎覆蓋著一層被稱為風化層的柔軟塵埃層,其厚度可達30英尺(約9公尺)。如果將核能源撞擊小行星,它就能輕易穿透這層風化層,從而獲得埋藏在小行星內部的動能優勢。一旦核能源與小行星直接接觸,爆炸就基本上結束了。

「你在模擬中看到的從小行星頂部噴出的巨大羽流,是爆炸附近所有被加熱的岩石以高速從小行星表面噴射出去的結果,」韋弗說。 「岩石之間會發生動能傳遞。這些岩石間的相互作用會將能量從表面一直傳遞到小行星的另一端,徹底破壞這些碎石堆。”

換句話說,爆炸的衝擊波貫穿整個小行星,將原本緊密相連的碎石四散飛濺。小行星的威脅不復存在。

後果

在模擬中,小行星基本上會解體,以核爆的威力將岩石向外拋射。但這種小行星減緩方案最明顯的反對意見是,透過炸毀小行星,我們可能只會產生許多較小的岩石,而這些岩石仍然可能足夠大,足以威脅地球。此外,如果岩石沒有被充分分散,小行星可能會在自身引力的作用下重新組合,使核爆失去意義。

但韋弗的模擬結果卻出乎意料:爆炸從小行星遠端噴射出的岩石速度之快,甚至連韋弗本人都感到驚訝。考慮到像絲川這樣大小的小行星的逃逸速度——即組成岩石擺脫小行星自身引力所需的運動速度——不到每秒一厘米,因此小行星在爆炸後重新組合的可能性幾乎為零。

「在我的二維計算中,我發現小行星另一側噴射出的岩石速度達到了每秒幾米,」韋弗說。 「像我研究的這種小行星,其逃逸速度只有每秒幾厘米。我計算出的噴射岩石速度在每秒一到十米之間,遠遠超過了逃逸速度——高出幾個數量級。這讓我很驚訝,也讓我更加確信這是一種有效的緩解措施。小行星不會再次撞擊地球,也不會造成大量小岩石撞擊地球的危險。」

當然,這是根據計算結果得出的結論。

「這一切顯然取決於攔截的具體地點、距離地球的遠近、以及我們還有多少時間——在發現威脅性小行星之前,所有這些都是未知數,」韋弗說。 “所有這些假設都只是假設。我認為我首次提出的是經過驗證的非均勻、非圓形成分模擬,希望這能讓政策制定者更好地了解他們的選擇。”

在確定了這些選項之後,至少對於類似「絲川」大小的威脅性小行星情景而言,韋弗接下來將著手研究一系列不斷擴展的參數,模擬更大、成分各異的岩石,直至達到「恐龍殺手」(直徑約6.2英里)的大小。為此,韋弗和洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)即將與勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)展開合作,雙方將整合計算和資金資源,把這類小行星減緩威脅的研究提升到一個新的水平,評估一系列潛在威脅。目前,這些「殺手」小行星僅存在於LANL超級電腦運行的模擬程式中。但這種情況或許不會一直持續下去。