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保證2036年小行星不會撞地球

北京清華大學龔勝平等三位科學家日前出版一篇論文, 建議用一艘太陽帆驅動的飛船,以逆行軌道相反方向去偏轉近地小行星阿波菲斯(99942 Apophis, 2004 MN4)的軌道,使它不會和地球相撞。

近地小行星對地球具有影響力,並且對地球有威脅性的可能性一向存在。小行星Apophis直徑約270米,預估在2029年會抵達距離地球37,000 至38,000公里的地方,有極小可能會在2036年重返地球。北京清華大學該團隊發表的論文中提及,在發射一艘太陽帆飛船前往撞擊小行星的任務中,有兩個因素將決定太陽帆飛船的動能:小飛船軌道距離太陽最近的距離,及明度(lightness)。明度越大、並且距離太陽越近,飛船帶來的撞擊越大。

模擬結果顯示,重10公斤的太陽帆飛船在旅行一年後,將具有每秒90公里的撞擊速度—如果時間提得夠早—它可以在2029年時將Apophis自「重力鎖眼」區移動約 600米,這樣也就可以徹底預防Apophis在2036年時重返地球。

不過比較要擔心的是,太陽帆飛船的軌道受太陽風如何吹襲的變化影響很大,方向大幅偏離不無可能。

NASA的科學家先前已表示,Apophis這顆在2004年發現的小行星,其實不太可能撞擊地球,而且它還有可能會先分裂成許多小碎片、以更小的規模撞擊地球,但目前來說,它已經是對地球可能帶來威脅的,最大的一顆近地小行星。

Apophis重達4千6百萬噸,2029年,當它靠近地球時,萬一正好穿過地球附近的「重力鎖眼」(Gravity keyhole),2036年它再訪地球的機會相對大增。但畢竟現在仍無法預知屆時它是否會剛剛好穿越鎖眼區,不過,鎖眼區範圍很小,於是,北京清華大學的科學家就提議,用太陽帆飛船撞擊的方式來改變小行星軌道 – 只需要撞偏約600米,便可確定Apophis不會再重返地球。

用極少量燃料或者完全不用燃料的方式來驅動這樣一艘小飛船,乍聽之下容易,又不用花大錢,實務上,卻像把駱駝穿過針眼一樣,極為複雜,先要看太陽風吹襲模式如何變化的臉色,再來是那張太陽帆必須夠大、要保證能張得開、在長達數年的旅途中還要保證不受到損害。

其次則有關於小行星本身的組成成分和構造,這點現在仍完全是個謎,不過,若不知小行星結構,也就很難判斷小飛船撞擊對它將可能有什麼影響。

清華大學龔勝平等發表論文: http://arxiv.org/abs/1108.3183

ESA的「唐吉軻德計畫」時間表。圖片來源: http://www.link2universe.net無獨有偶,歐洲方面ESA也對小行星Apophis有一番盤算。

早在2002年,ESA便已開始這個能叫小行星軌道轉向的唐吉軻德(Don Quijote )計劃,據悉該計畫有可能在2015年實現,但目前還在「概念」階段。唐吉軻德計劃本來目的地是2002 AT4 或 1989 ML等無明顯撞擊地球危險的近地小行星。後來有些研究則認為它應該航向Amor 2003 SM84,甚至是代號叫99942的Apophis,畢竟,比較起來,Apophis還算存在著有可能在2036年撞擊地球(25萬分之一)的一點風險。

唐吉訶德計畫要發射兩艘太空船前往靠近地球附近的小行星—一個(Hidalgo,伊達爾戈)負責撞擊,另一個(Sancho,桑丘)則負責在預估撞擊會發生的坑洞正上方軌道上進行精確觀測。計畫目標,一是改變小行星的半長軸(semimajor axis)達 100公尺以上,二是要得到精確的測量數據,最終希望,這個觀測和測量所得將可應用來改變未來任何有可能和地球發生相撞的其他小行星的軌道。

今年八月,英國Open University的Stephen Wolters等人發表一篇論文表示,光是觀測在軌道方面有多少改變還不夠,還需要詳細記錄撞擊的各項細節,包括:小行星表面物質的密度,表面顆粒的體積大小、質量、受撞擊後的噴出物質在速度上的分佈、該速度是否達到逃逸速度…這些訊息都必須收集完整,才足以評估小飛船撞擊,究竟對小行星帶來何種規模的能量轉移。Stephen Wolters論文連結: http://arxiv.org/abs/1107.4229

這麼一來,唐吉軻德任務內容也要大幅變更了,除了需要搭載無線電波的發射器,以便地球上的太空科學家能精確執行距離量測,小飛船還需要一組複雜的成像儀器,好好的拍攝撞擊損害程度;它需要紅外光譜儀,以確定小行星的礦物質含量為何,還需要有熱感應照相機負責記錄任何溫度的變化—小行星以何種方式發出熱是很重要的資訊,雖然熱能很微小。

To estimate the effect of Hidalgo collision, the Yarkovsky effect must be acounted for. Heating of an asteroid surface by the Sun causes thermal radiation. The net cumulative momentum of that radiation is from surfaces that have just turned out of the Sun light (i.e. dusk). In asteroids with prograde spin, this will push the asteroid into a higher orbit - i.e. further away from the Sun. But, for asteroids with retrograde rotation, the orbit decays - i.e. towards the Sun.

若小行星發射出熱光子各個方向都均等,這些力會彼此抵消。但是,如果它偏向某一些方向發出較多熱能,這股力會慢慢的推動小行星。如果小行星趨於降溫以相應於其自旋速度,這現象便有可能發生—使所有面向太陽的表面所幅射出的熱光子,都會朝向同一方向發射。這種現象稱為「雅科夫斯基效應」(Yarkovsky effect) 。由於這個數值最終也有可能會決定一顆小行星是否撞擊地球,所以把它算清楚很重要,尤其當撞擊會引發小行星旋轉速度改變時。

在唐吉軻德計畫中,要估計「伊達爾戈」(Hidalgo)號的撞擊效果,不能不考慮「雅科夫斯基效應」(Yarkovsky effect)。太陽加熱小行星表面,導致熱輻射,其熱輻射動能,是按照表面從太陽光照射區(即”dusk”區)離開的淨累計值計算。在順行軌道的小行星,這將推動小行星進入一個離太陽更遠的軌道。但是,對於逆行軌道的小行星而言 – 這會推動使它更靠近太陽一些。

仔仔細細列完全部任務目標後,下個問題是,誰來買單?(Lauren譯)

資料來源:Astronomy Without A Telescope – Impact Mitigation

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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