如何在小行星找到我们之前找到它们

2010 年，马可·坦塔尔迪尼 (Marco Tantardini) 一直在梦想着小行星。26 岁的意大利人坦塔尔迪尼留着浓密的胡须，身穿黑色皮夹克，骑着摩托车。他看起来更像晚年的海明威，而不是一个拘谨的太空迷。他曾在行星学会和美国宇航局实习，但实习已经结束。他获得了太空工程硕士学位，但并没有寻求一份传统的工作。相反，他在意大利克雷莫纳镇父母的家中，坐在他小时候做作业的那个房间里，起草了一份捕捉小行星的计划。他将这次任务称为“西西弗斯胜利”，他相信这将是人类探索的下一个巨大飞跃。

与希腊神话中的西西弗斯不同，西西弗斯被判处无休止地将巨石推上山顶，然后看着巨石滚落下来。坦塔尔迪尼发明了一种他认为成功的策略，可以将巨石在太空中移动。他设想发射一艘航天器，历时数年，拦截一颗直径不超过 10 米的小行星。航天器将用一张大网将其捕获，然后将其运送到地球附近的稳定轨道位置。当这颗岩石停在距离地球约四天太空旅行距离的地方时，宇航员将首次有机会参观、研究甚至触摸小行星。

坦塔迪尼的设想本身听起来有些不切实际，像是一个失业梦想家的不切实际的追求。但许多有成就的科学家和工程师正忙于制定类似的计划。2016 年，NASA 打算发射 OSIRIS-REx，这是一个机器人探测器，它将前往直径 500 米的小行星 Bennu，收集土壤和碎石，并将样本带回地球。奥巴马总统已承诺在 2025 年前派遣宇航员前往小行星进行同样的任务。几个团队正在努力设计探测流氓小行星并在它们撞击地球之前拦截它们的飞船。两组企业家被价值数十亿美元的潜在矿产所吸引，最近成立了小行星采矿初创公司。硅谷新兴行业的投资者 K. Ram Shriram 表示，他看到了与谷歌早期相同的潜力。

然而，在所有计划中，重新定位小行星可能带来最丰厚的回报。找到合适的目标将需要天文学家更加努力地寻找小行星，这对那些关心行星防御的人来说是一大福音。而将其放置在地球附近将极大地造福科学家和矿工，使他们能够近距离观察它。当坦塔尔迪尼带着西西弗斯胜利号来到这里时，正是催化太空科学界实现这一雄心勃勃目标的最佳时机。就连他自己也对这一目标的进展印象深刻。“当你试图做这样的事情时，你不会去想它有多么不可能，”他说。“你只是相信这个想法。”

车里雅宾斯克是俄罗斯西部的一个大城市，以生产拖拉机和职业冰球运动员而闻名。直到 2013 年 2 月 15 日早晨，一颗 19 米宽的流星划破天空，爆炸威力相当于 500 千吨 TNT。流星产生的火球比太阳明亮许多倍，威力强大到甚至会让人晒伤。冲击波震碎了窗户，将居民震倒在地，造成 1200 多人受伤。这是一个多世纪以来撞击地球的最大天体，科学家们对此毫无预兆。相反，他们一直关注着一颗更大的小行星，即 45 米宽的 2012 DA14，它在同一天冲到了距地球 18,000 英里的地方——距离地球到月球的距离只有十分之一。

这些事件清楚地提醒我们，人类生活在飞石风暴之中，这些飞石是形状像球、土豆和保龄球瓶的矿物和金属块，其宽度从几英尺到 100 多英里不等。正如 NASA 杰出的小行星猎手唐·约曼斯 (Don Yeomans) 所解释的那样，这些岩石是 46 亿年前内太阳系形成时未聚集成行星的残留碎片。

距离地球 2800 万英里以内的行星被称为近地天体，简称 NEO。它们的数量有数百万，大部分来自木星和火星轨道之间的主带。尽管它们偶尔会撞击地球——6500 万年前消灭了恐龙，1908 年夷平了 800 平方英里的西伯利亚森林——但直到最近才发现极少的近地天体。天文学家于 1898 年发现了第一颗近地天体爱神星；到 1960 年，他们只发现了 19 颗。直到 20 世纪 90 年代末，随着数字成像和计算机辅助搜索的出现，近地天体的探测才真正开始起步。如今的搜索程序每周发现大约 20 颗近地天体。去年 6 月发现第 10,000 颗近地天体时，天文学家们欢呼雀跃。

在估计的 950 颗足以毁灭我们所知文明的近地天体中，科学家发现的 90% 以上都是直径一公里或以上的近地天体。不幸的是，在估计的 15,000 颗直径为 140 米的近地天体中，他们只发现了 40%，其中任何一颗都可能摧毁一个大都市。在直径 30 米或更小的 50 多万颗小行星中，只有 1% 被观测到，而许多小行星都可能摧毁一座城市。正如美国宇航局近地天体计划办公室的科学家保罗·乔达斯经常说的那样，“感觉就像在射击场里，而我们就在射击场中间。”

即使在天文学相对无知的时期，人们也认识到需要制定一个强大的行星防御计划。麻省理工学院的学生在 1967 年为课堂项目设计了第一个概念。学生们被要求阻止一个 640 米的物体（假设）朝地球飞来，他们制定了一个计划，用六枚核弹连续摧毁或转移它。然而，炸毁一块大石头很容易把它分裂成许多小的危险物体，它们都朝着地球飞去——就像是霰弹枪爆炸而不是一颗子弹。

在美国宇航局 60 多万美元的资助下，爱荷华州立大学小行星偏转研究中心主任邦·魏最近开发了一种更细致的方法。他的计划是将一艘航天器撞向小行星，形成一个陨石坑，然后再用第二艘航天器携带一枚核弹。模拟显示，这一策略的破坏力将提高 10 到 20 倍，而且更有可能将小行星摧毁成无害的碎片。

冲击波震碎了窗户，居民被震倒在地。这颗小行星是一百多年来撞击地球的最大一颗，科学家们之前从未预见到它的到来。

其他专家则提出了一些不那么暴力的策略。德克萨斯农工大学的航空工程师戴维·海兰德 (David Hyland) 建议在小行星周围“画”一条浅色或深色条纹。这条条纹会改变物体的反射率，从而辐射出的热光子会巧妙地改变其路径。来自思克莱德大学和苏格兰格拉斯哥大学的研究人员正在制定一项计划，用几艘他们称之为“激光蜜蜂”的小型飞行器包围一颗太空岩石。每艘飞行器都会向小行星表面发射一束激光，形成一股气体羽流，就像火箭发动机排出的废气一样，会将物体推离轨道。

但即便是最巧妙的防御措施，对尚未发现的小行星也无济于事。美国宇航局前宇航员埃德·卢去年对国会表示：“我们地球公民基本上是闭着眼睛在太阳系里飞行。”地面望远镜必须透过地球大气层的雾霾进行探测，而且只能在夜间进行搜索。而太空设备通常被设计用于扫描太阳系以外宇宙的小部分。最适合搜寻小行星的仪器是 WISE 太空望远镜，其设计目的是探测整个天空，包括星系和恒星。它最近重新启动了一项为期三年的新任务，专门搜寻近地天体；它的四个红外传感器中有两个不再工作。

为了填补其认为明显的技术空白，B612 基金会（以安东尼·德·圣埃克苏佩里的经典著作《小王子》中的小行星之家命名）与 Ball Aerospace 合作建造了一座私人资助的天文台，希望于 2018 年发射。该天文台被称为哨兵太空望远镜任务，将在类似金星的轨道上飞行，其红外传感器将搜索小行星辐射太阳能发出的微弱热信号。“哨兵望远镜的效率将比所有其他观测系统的总和高出 100 倍，”B612 联合创始人 Lu 说道。

今年到目前为止，该组织只筹集了 4.5 亿美元发射和运营所需的 2000 万美元。虽然 5 亿美元绝非小数目，但卢指出，这笔费用与一个中型市政项目相当。例如，用得克萨斯州农工大学翻新足球场的资金，科学家们可以发射一个拯救文明的天眼。“很多人说，‘我认识的 100 年里没有谁被小行星撞死过，所以我不必担心，’”卢说。但他把这些人比作拉斯维加斯的赌徒。“赔率就是赔率，有时庄家总会赢。”

当坦塔尔迪尼创作《西西弗斯胜利号》时，他可以从窗户向外望去，看到 343 英尺高的克雷莫纳钟楼，这是一座建于 14 世纪的砖砌钟楼。钟楼内有一个巨大的天文钟，对于创作它的父子团队来说，人类航行太空的想法一定是不可想象的。很多时候，坦塔尔迪尼都觉得《西西弗斯胜利号》遥不可及。朋友们建议他写一篇论文，在会议上展示，然后继续前进。但他不愿意放弃自己的想法。“我想让一些真实的事情发生，”他说。

坦塔迪尼知道他没有专业知识独自开发这项任务，所以在 2010 年夏天，他决定招募其他工程师来帮助他。他联系了以前实习时认识的熟人，并通过谷歌搜索 NASA 的高层管理人员，通过电子邮件向他们发送了他的建议。他的许多提议都没有得到回应，但一些专家很感兴趣，愿意听取建议，其中包括 NASA 喷气推进实验室 (JPL) 的航天器轨迹专家马丁·罗和行星学会的联合创始人路易斯·弗里德曼。

“我的第一反应是，‘啊，移动一颗小行星，你疯了吗？’”弗里德曼说。至少从 20 世纪 70 年代开始，人们就一直在设计各种方案来实现这一目标。他们提议使用太阳帆或喷出岩石的质量驱动器，甚至设计两个物体之间的碰撞，使它们像台球中的组合球一样相互反弹。坦塔迪尼被一个更有希望的策略所吸引：他扩展了罗在 2002 年所做的计算，描述了可用于运输小行星的低能轨道。坦塔迪尼总结说，通过将航天器的推进力与月球等天体的重力辅助相结合，小行星实际上可以被移动。

弗里德曼对此很感兴趣，于是邀请他向喷气推进实验室和加州理工学院的一组工程师描述这一概念。他们又建议凯克太空研究所 (KISS) 资助一项可行性研究，该机构致力于开发新的太空任务概念和技术。KISS 同意了，弗里德曼也参与领导了这项工作。坦塔迪尼是该研究小组的 30 名成员之一，该小组成员包括约曼、多个 NASA 任务中心的代表、哈佛大学和加州理工学院的学者以及前宇航员。

在之前的小行星重新定位研究的基础上，该团队制定了一项任务，将发射一个机器人航天器，在三到五年的时间内前往目标近地天体。然后，他们设想了一种捕获它的方法：充气臂将展开一个直径 15 米的巨型袋子，像蟒蛇吞食沙鼠一样吞下这颗太空岩石。电缆将把袋子紧紧绑住，现在随着小行星旋转的航天器将启动推进器来调整方向，然后开始返回地球的旅程。

或许，将一颗重达一百万磅的小行星运送到太阳系的最大挑战在于找到有效的推进器。为此，研究小组向 JPL 的火箭科学家、这项研究的另一位联合负责人约翰·布罗菲寻求帮助。布罗菲自 2007 年以来一直在研究移动小行星的方法，并设计了可以真正完成这项工作的太阳能电力推进 (SEP) 系统。SEP 系统由安装在航天器上的光伏板供电，利用电力电离氙气，加速这些离子，并以高达每秒 30 公里的速度从发动机后部发射它们。布罗菲说：“与使用化学推进剂相比，排气速度大约是前者的 10 倍。”他设计了 NASA 黎明号探测器上使用的 SEP 系统，该探测器目前正在前往矮行星谷神星，他目前正在帮助开发下一代 SEP 系统，其功率至少是后者的 20 倍。

科学家们可以用与德克萨斯农工大学翻修足球场相同的资金在天上发射一只拯救文明的眼睛。

2010 年，布罗菲和几位 NASA 同事研究了如何用 SEP 驱动的航天器捕获一颗 10 吨重的小行星并将其运送到国际空间站 (ISS)。坦塔尔迪尼建议将小行星停在月球附近轨道稳定的拉格朗日点，而 KISS 团队发现这样的目的地是切实可行的。将小行星移动到拉格朗日点或高月球轨道（甚至更稳定的位置）所需的能量要比深入地球引力井所需的能量少得多。这意味着航天器可以抓取更大的岩石（重达 1,000 吨），而且更大的物体更容易找到和描述。

科学家们于 2012 年 4 月完成了 KISS 可行性研究。受该报告的启发，NASA 委托自己的团队以更详细的技术细节完成这项任务。2013 年初，该计划一路传到了白宫：奥巴马总统在 2014 年预算中提议为 NASA 拨款 1.05 亿美元，正式开展该航天局所谓的小行星重定向任务 (ARM)。“没有人怀疑我们最终能够在未来移动一颗小行星，”布罗菲说。“最让人们吃惊的是发现你现在可以做到这一点。”

很少有人比那些想要开采小行星的人更对重新安置小行星的前景感到兴奋，这个想法已经诱惑了梦想家一个多世纪。俄罗斯火箭科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在 1903 年写道，开采小行星对于征服宇宙至关重要；它将使宇航员能够依靠土地生活，收获氢等资源作为燃料和水。

小行星也可能带来巨额收益。据行星资源公司（Planetary Resources）称，该公司是一家小行星采矿公司，由商业航天先驱彼得·戴曼迪斯（Peter Diamandis）和埃里克·安德森（Eric Anderson）于 2010 年创立，该公司称，一块直径 500 米的太空岩石可能含有目前全球铱和钯等铂族金属储量的 1.5 倍。与此同时，一颗类似大小的富含水的小行星可能含有比超级油轮多 80 倍的水。该公司表示，如果将其转化为氢和氧，它可以提供足够的燃料来为人类历史上发射的所有火箭提供动力。受同样惊人的数字吸引，第二家小行星采矿公司深空工业公司于 2013 年成立。

为了找到这样一个飞行宝箱，行星资源公司计划发射一系列越来越强大的太空望远镜。第一款型号名为 Arkyd-100，外形相当简陋：它的镜面只有 9 英寸宽，而哈勃太空望远镜的主镜则有 94 英寸宽。但该公司总裁克里斯·莱维奇 (Chris Lewicki) 认为，Arkyd 将成为迈向新工业革命的第一步。“互联网、汽车、航空、铁路——小行星采矿是所有这些的 21 世纪版本，”他说。

但即便是相对较近的小行星，其轨道距离地球也有数百万英里，因此它们过于遥远，无法实际使用。NASA 的 ARM 阐明了一种可行且相当经济的方法，可以将这些物体移近地球，这使得采矿者对这项任务非常感兴趣。KISS 研究小组成员 Lewicki 称赞这项任务概念，既因为它有潜力推动小行星采矿，也因为它非常大胆。“NASA 正在谈论将人类送往比以往更远的太空，”他说。“这将是真正的探索，是自阿波罗计划以来最激动人心的尝试。”

当 NASA 宣布可能进行小行星重定向任务时，许多人都大吃一惊。NASA 退休小行星专家 Al Harris 抱怨说，这项任务“在很多方面基本上都是一厢情愿的想法——有合适的目标，你可以及时找到它，如果你去那里并带回来，你实际上可以抓住它。”在国会山，这项任务成了政治彩蛋。密西西比州众议员 Steven Palazzo 称其为“代价高昂且复杂的干扰”；其他人威胁要阻止进一步研究的资金。（最终获得批准。）批评者最初没有理解的是，ARM 虽然看起来像科幻小说，但它在技术上是可行的。此外，抓取太空岩石是更伟大的计划的特洛伊木马：ARM 可以说是目前唯一将人类送回太空并让他们踏上通往月球和火星之路的计划。

回顾一下近期的历史：2009 年，总统任命的奥古斯丁委员会报告称，美国载人航天计划“发展轨迹不可持续……追求的目标与分配的资源不匹配”。次年，奥巴马总统宣布将取消 NASA 的“星座”计划，该计划原本旨在让宇航员重返月球（并最终重返火星）。相反，他选择接受委员会的建议，采取规模更小、更经济的措施，让 NASA 能够逐步开发必要的技术。

奥巴马表示，第一个目标是到 2025 年访问一颗小行星。但即便如此，这也超出了目前的能力。NASA 正在开发的载人太空探索工具——太空发射系统和猎户座飞船——旨在将人类送往略微超出月球的地方，而不是火星和木星之间的地带。行星学会的弗里德曼说，这就是为什么当坦塔尔迪尼向他提出回收小行星的想法时，他如此兴奋，也是 NASA 最终如此迷恋它的原因。这次任务相当于对穆罕默德那句老话的重新演绎：如果人类不能去小行星，那么小行星就必须来找我们。“这是一个顿悟，是对载人航天计划基本问题的回答，”弗里德曼说。“你有一个目的地；它很有趣，很有意义，很科学，而且可以在现有计划内完成。”

去年夏天，NASA 启动了小行星计划，该计划由 ARM 和小行星大挑战赛 (AGC) 组成，旨在帮助识别近地天体，用于科学研究和行星防御。小行星数据猎人是 AGC 竞赛系列的首届，于 3 月宣布，将向开发出可提高地面望远镜小行星探测能力的算法的参与者奖励 35,000 美元。

与此同时，近地天体计划已启动一个系统，协调世界各地的望远镜，寻找适合 ARM 的小行星——直径在 4 到 10 米之间，轨道路径易于捕获和重定向的小行星。NASA 的 Chodas 表示，自 2013 年 3 月实施以来，该系统已向他们发出了十几个可能的候选者警报。在约翰逊航天中心的中性浮力实验室，宇航员已经在水下水箱中进行训练，离开航天器，爬上模拟的小行星表面。

美国宇航局载人探索项目负责人威廉·格斯滕迈尔认为，这项任务将彻底改变人类与宇宙的关系。“这将是历史上我们第一次将一个物体带到太空并移动它，”他说。“我们开始为了自己的利益改造太空。”

而坦塔迪尼则主要将精力放在了其他想法上，比如消费级无人机项目。但他对 ARM 的发射充满期待。“三年前，大多数人会说，哪怕是移动一颗小行星也只是一个梦想，但该团队证明了这是可以做到的，”坦塔迪尼说。“问题不在于任务是否会实现，而在于何时实现。”

第一步：寻找小行星

在数以百万计的经常飞过地球的小行星中，天文学家迄今只发现了 10,000 颗。目前正在开发的几架望远镜可以绘制出我们星球周围的地图。

近地天体相机 (NEOCam)

对象： NASA喷气推进实验室
目标：探测直径大于 140 米的近地天体的三分之二
状态：红外传感器通过了一项关键的设计测试；如果被 NASA 的 2016 年发现计划选中，该任务将于 2020 年发射。
计划： NEOCam 的红外望远镜将在稳定的拉格朗日点轨道上搜寻小行星在两种波长下的热辐射。其 14 度视野比 NASA 的前身 WISE 望远镜大很多倍。

小行星撞击地球最后预警系统 (ATLAS)

对象：夏威夷大学
目标：提前发出小行星撞击预警（根据规模，一天到三周不等）
状态：目前正在夏威夷建设，预计 2016 年开始正常运营
计划：两台配备 1.1 亿像素摄像头的 20 英寸望远镜每晚两次扫描可见天空。该系统的灵敏度足以探测到从旧金山看到的相当于纽约火柴火焰的亮度。

Arkyd-100

对象：行星资源
目标：探测小行星，确定其位置、成分、大小和自转速度
状态：一颗名为 A3 的纳米卫星将于今年晚些时候发射，以测试几项关键技术。
计划：这颗卫星重 33 磅，大小与一台迷你冰箱相当，每 90 分钟绕地球一圈，并通过光学望远镜观察小行星。激光通信系统将把图像传回地球。

第二步：阻止流氓岩石

去年，一颗流星在俄罗斯上空爆炸，其爆炸当量相当于 50 万吨 TNT。目前，俄罗斯正采取多项措施，防止类似物体撞击地球。

激光蜜蜂

参与者：行星学会/思克莱德大学/格拉斯哥大学
目标：偏转直径 2 至 400 米的小行星
状态：如果实验室测试和计算机模型显示出希望，则可能会在五到十年内进行试飞。
计划：小型航天器将飞越小行星，使用激光照射其表面某个点，照射时间长达数月或数年。蒸发的岩石将形成一股过热气体，推动小行星进入新的轨道。

超高速小行星拦截飞行器

谁：爱荷华州立大学/NASA
目标：摧毁直径达 1000 米的小行星
状态：第二阶段研究将于 9 月结束。测试任务可能在十年内启动。
计划：拦截飞行器将接近小行星并分成两部分。第一部分将撞击小行星表面，形成陨石坑。第二部分携带一枚 300 至 1,000 公斤的核弹，将在陨石坑内引爆，将小行星炸成碎片。

小行星撞击与偏转评估

参与者：约翰霍普金斯大学/欧洲航天局/美国宇航局
目标：当双小行星系统 Didymos 经过地球时，撞击其直径 150 米的卫星
现状： NASA 和 ESA 正在进行 A 阶段前期研究。如果资金充足，两艘航天器将于 2020 年和 2021 年发射。
计划：约翰霍普金斯大学建造的一艘航天器将撞击较小的小行星并改变其轨道。欧空局的航天器和地面望远镜将对碰撞进行观测，以评估其效果。