如何使小行星偏离轨道

2029年4月13日，一块比埃菲尔铁塔还高的太空冰石将以每秒30公里的速度掠过地球，擦过地球的地球同步卫星。这将是未来十年中最大的小行星之一穿越地球轨道时距离地球最近的一次。

观测这颗小行星,称为“阿波菲斯99942”,埃及神的混乱,一旦建议2029年飞越将它通过重力锁眼——地球重力场的位置,拉下飞越这颗小行星的轨道,这样,在2036年,它可能产生毁灭性的影响。

值得庆幸的是，最近的观测已经证实，这颗小行星将在2029年和2036年与地球擦肩而过。尽管如此，大多数科学家认为，如果一颗小行星曾与我们的母星一起上过速成课，考虑让它偏离轨道的策略永远不会太早。

现在，麻省理工学院的研究人员已经设计出一个框架来决定哪种类型的任务将最成功地偏离来袭的小行星。他们决策方法考虑小行星的质量和动量,靠近重力锁眼,科学家和预警时间一场即将发生的——所有的程度的不确定性,也研究人员因素确定最成功的任务对于一个给定的小行星。

研究人员将他们的方法应用于阿波菲斯和另一颗近地小行星本努(Bennu)，后者是美国宇航局(NASA)奥西里斯-雷克斯(OSIRIS-REx)的目标。奥西里斯-雷克斯计划在2023年将本努的表面物质样本送回地球。由麻省理工学院的学生设计和制造的仪器REXIS也是这项任务的一部分，它的任务是表征地表丰富的化学元素。

在本月发表于《宇航学报》(Acta tica)杂志上的一篇论文中，研究人员利用他们的决策图，列出了在各种情况下，小行星可能朝向引力锁孔的情况下，最有可能使阿波菲斯和本努偏离轨道的任务类型。他们说，这种方法可以用来设计最优的任务配置和运动，以转移一个有潜在危险的近地小行星。

该研究的主要作者、前麻省理工学院航空航天系研究生Sung Wook Paek说:“当小行星已经穿过一个钥匙孔，正朝着与地球相撞的方向前进时，人们通常会考虑最后一刻偏离轨道的策略。”“我对在地球撞击之前防止钥匙孔通过很感兴趣。这就像先发制人，减少了混乱。”

Paek在麻省理工学院的合著者有Olivier de Weck, Jeffrey Hoffman, Richard Binzel和David Miller。

偏转一个planet-killer

2007年，美国国家航空航天局在提交给美国国会的一份报告中得出结论，如果一颗小行星朝地球飞来，最有效的偏离方向的方法是向太空发射一枚核弹。爆炸的力量会把小行星炸飞，尽管那时地球将不得不应付任何核沉降物。使用核武器来减轻小行星的撞击在行星防御界仍然是一个有争议的问题。

第二个最好的选择是发射一个“动能冲击器”——一个宇宙飞船，火箭，或者其他的抛射物，如果瞄准正确的方向，以足够的速度，应该与小行星相撞，传递它的部分动量，使它偏离轨道。

“基本的物理原理有点像打台球，”Paek解释道。

然而，航空航天和工程系统教授德韦克(de Weck)表示，要想让任何动能冲击器获得成功，必须“尽可能精确地”了解小行星的质量、动量、轨道和表面组成等属性。这意味着，在设计偏转任务时，科学家和任务管理者需要考虑不确定性。

“任务成功的概率是99.9%还是只有90%，这有关系吗?”当涉及到转移一个潜在的地球杀手，你打赌它会，”德韦克说。“因此，当我们根据不确定性水平设计任务时，我们必须更聪明。以前从来没有人这样看待这个问题。”

关闭一个钥匙孔

Paek和他的同事们开发了一个模拟代码来识别小行星偏转任务的类型，考虑到小行星的不确定属性，这种任务成功的可能性最大。

他们考虑的任务包括一个基本的动能冲击器，在这个过程中，一枚射弹被射入太空，将一颗小行星推离轨道。其他变化涉及派遣球探首先测量这颗小行星磨练的规格一弹,将被发送后,或发送两个侦察兵,一个小行星和其他测量将小行星稍微偏离轨道随后推出了大弹之前确定附近的小行星与地球小姐。

研究人员输入模拟的具体变量，如小行星的质量、动量和轨道，以及这些变量的不确定性范围。最重要的是，他们考虑了小行星与引力钥匙孔的距离，以及小行星通过钥匙孔之前科学家们所拥有的时间。

“钥匙孔就像一扇门，一旦打开，小行星很快就会撞击地球，概率很高，”Paek说。

研究人员在阿波菲斯和本努上测试了他们的模拟结果，这两颗小行星的引力关键洞相对地球的位置已知的小行星屈指可数。他们模拟了每颗小行星和它们各自的钥匙孔之间的不同距离，还计算了每一段距离的“安全港”区域，在这个区域内，一颗小行星必须偏转，以避免与地球相撞，并穿过附近的任何其他钥匙孔。

然后，他们根据科学家需要准备的时间长短，评估三种主要的任务类型中，哪一种最能成功地将小行星转向安全的港湾。

例如，如果阿波菲斯在5年或更长的时间内穿过一个钥匙孔，那么就有足够的时间在发射一个主要的撞击物之前派出两个探测仪——一个用来测量小行星的尺寸，另一个用来把它稍稍推离轨道作为测试。如果在两到五年内出现了钥匙孔通道，可能有时间派遣一名侦察员去测量小行星，并在发射撞击器使小行星转向之前调整较大抛射体的参数。Paek说，如果阿波菲斯在一个地球年或更短的时间内穿过它的锁眼，可能就太晚了。

“即使是主要的撞击者也可能无法在这个时间内到达小行星，”Paek说。

Bennu也是一个类似的例子，尽管科学家们对它的物质组成有了更多的了解，这意味着在发射射弹之前可能没有必要发射侦查侦察兵。

有了这个团队的新仿真工具，Peak计划在未来评估其他偏转任务的成功程度。

“与其改变发射物的大小，我们可以改变发射次数，发射多个更小的航天器，一个接一个地与小行星相撞。或者我们可以从月球发射炮弹，或者使用报废的卫星作为动能冲击器。“我们已经创建了一个决策图，可以帮助构建任务原型。”

这项研究部分得到了NASA、Draper和三星文化基金会的支持。