挪開小行星：科學家欲拉近太空岩石便於研究

本文由《科技新時代》授權轉載

文字 James Vlahos 圖片 Jan Willem Tulp

巨大的太空岩石從地球旁邊呼嘯而過，其規律程度令人吃驚。一些科學家想偏轉它們運動的方向，另一些則想把它們拉近一點。

Marco Tantardini在整個2010年都沉浸於對小行星的夢想中。這個留大鬍子的義大利人穿黑色皮夾克，騎摩托車，看起來更像是晚年的海明威，而不是一個痴迷太空的死板書獃子。他曾在行星學會和美國航空航天局(NASA)實習，但實習期已經結束了。他拿到了太空工程學的碩士學位，但沒去找一份傳統的工作，而是回到了父母位於義大利小鎮克萊莫納的房子。坐在從小長大做功課的房間裏，他草擬了一個捕捉小行星的計劃。他把這個計劃稱為“西西弗斯的勝利”，他相信這將是人類太空探索的下一個巨大飛躍。

不同於希臘神話中的西西弗斯——那個被永無休止地把巨石推上山，再看巨石滾落的可憐人，Tantardini研究的是一種可以成功地在太空中移動巨大岩石的辦法。他設想發射一艘飛船，航行若幹年后攔截到一個直徑10米或10米以下的小型小行星。飛船可以俘獲這顆小行星，可能是用一張大網，然后把它送到靠近地球的穩定軌道位置上。讓這塊岩石停留在飛船用4天就能抵達的地方，航天員將會第一次得到訪問、研究甚至接觸一顆小行星的機會。

就其本身而言，他的設想聽起來是堂吉訶德式的，是一個失業夢想家的不可能實現的追求。但是，許多功成名就的科學家和工程師也都在忙籌劃類似的計劃。NASA計劃在2016年發射OSIRIS-Rex，這個自動探測器將會前往一個叫做貝努(Bennu)的直徑500米的小行星，採集土壤和碎石，並把樣本送回地球。美國總統奧巴馬也承諾將會在2025年派航天員完成類似的工作。有幾個團隊正在努力設計能夠探測危險的小行星，並在它們撞擊地球前進行攔截的飛船。還有兩組被價值數十億美元的潛在礦物吸引的企業家，最近組建了小行星礦業公司。新興業領域的硅谷投資人K. Ram Shriram，他從中看到了類似於Google公司早期的潛力。

不過，所有的這些計劃中，搬遷小行星帶來的回報可能是最豐厚的。但是要找到一個合適的目標，天文學家必須得更加努力地搜索小行星，這對於那些關心行星防衛的人來是一個福音。而把小行星放置在地球附近，對於科學家和採礦者都非常有利，這使得他們可以近距離研究它。當Tantardini帶來他的“西西弗斯的勝利”計劃時，正是促使空間科學界追逐一個極富野心的目標的合適時機。對這個計劃取得的進展甚至讓他自己感到驚訝。“當你嘗試某件類似事情的時候，不要去想它有多麼的不可能，”他，“你只要堅信自己的想法就是了。”

車裏雅賓斯克是俄羅斯西部的一個大城市，直到去年2月15日之前，這裏最出名的東西是拖拉機和職業冰球選手。而在那一天，一顆直徑19米的流星尖嘯划過天空，並在空中爆炸，爆炸的威力相當於500噸TNT炸葯。隕石製造出的火球比太陽還要亮好幾倍，甚至曬傷了人的皮膚。衝擊波粉碎了很多玻璃，把許多當地居民吹翻在地，導致1200多人受傷。這顆隕石是一個多世紀以來最大的一顆撞擊地球的天體，而且科學家並沒有發現它的到來。相反，他們一直專注於一顆更大的小行星，直徑45米的2012DA14。在同一天，這顆小行星從地球旁邊接近30000千米處呼嘯而過，它和地球的距離只有地月距離的1/10。

這個事件冷酷地提醒我們，人類生活在暴風雪之中，一場飛舞大小從幾米到上百千米，形狀好似球、土豆和保齡球瓶，由岩石、大塊礦物和金屬形成的暴風雪。作為NASA的傑出小行星獵手，Don Yeomans解釋，這些岩石是內太陽系在46億年前形成時留下的未能聚整合為行星的邊角料。

來到我們的行星周圍4500萬千米範圍內的小行星被稱為近地小天體，或者NEO。這樣的小行星有幾百萬顆，其中大部分來自火星和木星之間的主小行星帶。雖然它們有偶爾撞擊一次地球的習慣—在6500萬年前滅了恐龍，在1908年蕩平了西伯利亞2000平方千米的森林，但直到最近，只有很少的NEO的身份得到了確認。天文學家在1898年發現了第一個，愛神星(Eros)，而到了1960年，他們也才又發現了另外19個。直到20世紀90年代末，隨數字成像和計算機輔助搜索的出現，探測到的NEO的數量才開始真正地上升現在的搜索程序每周可以找到20個左右的NEO。天文學家曾在去年6月慶祝找到了第1萬個。

據估計，大到足以毀滅人類文明的，也就是直徑在1千米以上的NEO，大約有950個，而天文學家已經找到了其中的90%。不幸的是，在預計數量大約為15000個的直徑140米等級的NEO中，他們只留意到了其中的40%，而其中任何一個都能蕩平一座大都市。而總數超過50萬的直徑30米或更小的小行星，只有1%被登錄在案，而它們中有很多都能摧毀一座城市。正如NASA近地小天體項目辦公室的科學家Paul Chodas經常的那樣：“這就像是一個射擊場，而我們就在射擊場中間。”

即使是在相對來並沒察覺到危險的天文學無知時期，人們就已經意識到我們需要一個強有力的行星防衛計劃。1967年，麻省理工的學生在完成一門課的研究課題時，設計了第一個方案。課題的要求是制止一個直徑640米的天體對地球的撞擊(假想的)，學生們制定的方案是用6顆核彈的順序打擊來摧毀或偏轉這個天體。不過，炸毀一塊大岩石，可能只是簡單地讓它碎裂成許多較小的危險天體，目標仍然是地球—把單顆子彈換成了散彈槍的射擊。

在NASA超過60萬美元的資金的支持下，艾瓦州立大學小行星偏轉研究中心主任Bong Wie最近開發了另一種更為巧妙的方法。他的計劃是先用一艘飛船在小行星撞出一個彈坑，然后讓第二艘攜帶核彈的宇宙飛船繼續撞擊。模擬顯示，這種策略的破壞力要大10到20倍，把岩石粉碎成無害的碎片的機會更大。其他專家提出了一些不那麼暴力的手段。德克薩斯州農工大學的航空航天工程師David Hyland建議在小行星上“涂上”明或暗的條紋。條紋會改變小行星的反射率，從而讓熱輻射發出的光子微妙地改變它的路徑。蘇格蘭斯特拉思克萊德大學和格拉斯哥大學的研究者設計了一個計劃，用幾個他們稱為“激光蜜蜂”的小型飛船包圍隕石。每個都用一束激光照射隕石表面，製造出一股氣流，就像火箭發動機噴射的氣體，這肯定可以推動小行星。但即使最聰明的防禦，對那些尚未發現的小行星也是沒用的。“我們這些地球人基本上就是閉眼睛在太陽系中飛行。”前NASA航天員Ed Lu去年這樣告訴美國國會。地面望遠鏡必須穿過大氣的陰霾，而且只能在晚上進行搜索。與此同時，空間設備，往往是設計用來掃描遠在太陽系之外的宇宙片段的。最適合用來狩獵小行星的儀器是WISE空間望遠鏡，它原本的設計目的是拍攝整個天空，包括恆星和星系在內。它最近被重新激活，開始一項為期3年的任務，專門搜索NEO；它的4個紅外感測器中已經有兩個失靈了。

為了幫助彌補它所認為的一處明顯的技術差距，B612基金會(以名著《小王子》中小王子居住的小行星命名)正與Ball航天技術公司合作建造一個私人投資的空間望遠鏡，有望在2018年發射。此項目名為“哨兵”空間望遠鏡計劃，它將會以類似金星的軌道飛行，其紅外感測器將搜索小行星輻射太陽能而發出的微弱信號。“‘哨兵’的效率相當於其他觀測系統加起來的100倍。”B612的創始人之一Lu。

今年到目前為止，該組織只籌集到了發射和運行“哨兵”所需要的4.5億美元中的2000萬美元。雖然4.5億美元不是小錢，但Lu指出其成本就相當於中等的民政建設項目。例如，德克薩斯州農工大學翻修橄欖球場花掉的錢，就可以讓科學家把一個拯救人類文明的眼睛發射到太空中。“有許多人，‘我不知道過去100年裏有誰是被一顆小行星殺死的，所以我也不需要擔心它’。”他。但他把這些人與拉斯維加斯的賭徒比較，“賠率就是那麼高，在某個時刻莊家總會取勝的。”

在Tantardini鑽研“西西弗斯的勝利”時，望向窗外，他就可以看到105米高的克雷莫納鐘樓，一座在14世紀建造起來的磚結構鐘樓。塔內坐鎮一個巨大的天文鐘，對於製造這座鐘的父子團隊來，人類會遠航進入太空這樣的事情必然是難以想象的。很長的一段時間裏，“西西弗斯的勝利”同樣讓他感到高不可攀。朋友建議他寫一篇論文，拿到會議上展示。但他不想放棄自己的想法。“我想做些實實在在的事情。”他。

他知道自己沒有足夠的專業知識來獨自推進這個項目，所以在2010年夏天，他決定聘請其他工程師來幫助自己。他聯繫了實習時認識的熟人，並用Google搜索NASA的高管的聯繫方式，給他們發送郵件宣傳自己。他的許多次主動接觸都只迎來了沉默，但也有一些專家有興趣聽他的介紹，其中就有NASA噴氣推進實驗室(JPL)的Martin Lo和行星協會的聯合創始人Louis Friedman。

“我的第一反應是：‘哇，移動一顆小行星，你瘋了？’”Friedman。至少從20世紀70年代開始，人們就一直在制訂各種各樣的方案來做這件事。他們提出利用太陽帆或岩石噴射質量驅動器，甚至安排兩個小行星碰撞，使它們像檯球案上的kiss球那樣彈開對方。Tantardini被一個更有希望的策略所吸引：他擴展了Lu在2002年描述利用低能量軌道運送小行星時做的計算。通過把飛船推進和來自某個天體，如月球的引力輔助結合起來，Tantardini得出結論：小行星的確是可以被移動的。

出於好奇，Friedman邀請他向一群來自噴氣推進實驗室和加州理工學院的工程師描述這一概念。回過頭來，他們提議，凱克空間研究所(KISS)，一個致力於新太空任務的概念和技術研究的組織可能願意資助其可行性研究。KISS同意了，而Friedman開始共同領導這個項目。Tantardini現在成了30人組成的研究組的一員，組中包括Yeomans、NASA多個任務中心的代表、來自哈佛大學和加州理工的學者和前航天員。

在以前的小行星搬遷研究的基礎上，這個團隊設計了這樣的一個任務，讓自動飛船通過3~5年的航程飛抵目標NEO。然后，他們想出一種方法來俘獲它：用充氣臂展開一個直徑15米的巨大袋子，像蟒蛇吃沙鼠一樣把太空岩石吞進去。纜線會緊緊地把袋子連接在飛船上，帶小行星一起旋轉的飛船啟動推進器調整自己的姿態，然后開始回家之旅。

或許，拖一顆重達500噸的小行星穿行於太陽系中，最大的挑戰在於找到足以勝任的推進動力。為此，團隊寄希望於John Brophy，他是JPL的火箭科學家，也是這項研究的另一個共同領導者。從2007年開始，他就已經在研究移動小行星的方法，並設計了一個能勝任該工作的太陽能電推進(SEP)系統。由飛船上搭載的光伏電池提供能源，SEP系統用電來電離氙氣，並加速離子，讓它們從發動機后方以30千米/秒的速度噴射出去。“你能得到10倍於化學火箭的噴氣速度。”Brophy。他設計了NASA的黎明探測器的商用SEP，這個探測器正在前往矮行星穀神星的路上，他現在正在幫助開發下一代的SEP系統，至少要強大20倍。

2010年，Brophy和幾個NASA的同事們研究如何用SEP為動力的飛船，捕捉一顆10噸重的小行星並把它移動到國際太空站(ISS)。Tantardini建議把小行星停放在月球附近軌道穩定的拉格朗日點上，而KISS團隊發現這個目的地是切實可行的。把小行星移動到拉格朗日點或高月球軌道這類更穩定的位置，要比把它拖入地球的引力勢阱需要少得多的能量，這意味飛船可以捕捉大得多的岩石—上至1000噸，而更大的小行星更容易被找到，其特徵性質也更容易把握。

2012年4月，科學家們完成了KISS的可行性研究。在該報告的發下，NASA委託自己的團隊以更高的技術細節繼續研究這項任務。在去年年初，該計劃成功送達了白宮，奧巴馬總統提出在他的2014年NASA預算中，拿出1.05億美元用於NASA所的小行星重定向任務(ARM)。“沒有人懷疑未來我們最終能夠移動一顆小行星，”Brophy，“對人們來最驚人的是認識到你現在就能做得到。”

對於搬遷小行星的前景，沒人比那些想從小行星上採礦的人更興奮。在小行星上採礦，這個想法在一個多世紀以來一直誘惑夢想家們。俄羅斯火箭科學家Konstantin Tsiolkovsky在1903年寫道，開採小行星將是征服宇宙的關鍵；這可以讓航天員脫離地面生存，收穫氫燃料、水等資源。小行星也可能帶來豐厚的回報。據行星資源公司—一家由商業太空飛行先驅Peter Diamandis和Eric Anderson在2010年創立的小行星礦業公司，單獨一塊直徑500米的太空岩石就可能相當於目前世界儲量1.5倍的鉑族金屬如銥和鈀。同時，同樣大小的富含水的小行星，可能含有能裝滿80艘超級油輪的水。如果把這些水轉化為氫和氧，該公司表示，提供的燃料足夠為曾經在人類歷史上出現的所有火箭提供動力。被同樣的驚人數字吸引，第二家小行星礦業公司深空工業公司在去年創立了。

為了找到這樣的飛行寶箱，行星資源公司計劃發射一系列越來越強大的空間望遠鏡。第一個模型叫做Arkyd-100，相當低調。它的鏡片口徑只有0.23米，而哈勃望遠鏡主鏡口徑是2.39米。但是公司總裁Chris Lewicki認為，Arkyd將會是邁向新的工業革命的第一步。“互聯網、汽車、航空、鐵路，小行星採礦相當於21世紀的這一切。”他。

但即使相對較近的小行星也遠在數百萬千米之外，這使得它們過於遙遠而難以實用。NASA的ARM提出了一個可行的，而且相當經濟的辦法來把這些天體移動得更加靠近地球。身為KISS研究組成員的Lewicki非常讚賞這個任務的概念，既因為它有潛力推動小行星採礦，也因為它那大膽的魄力。

“NASA正在談論把人類送往太空中比此前所到之處遠幾個數量級的地方，”他，“這將是真正的探險，阿波羅計劃以來最令人興奮的努力。”當NASA宣佈可能要進行一項小行星重定向計劃時，許多人頗感意外。退休的NASA小行星專家Al Harris抱怨該任務“基本上是一廂情願的，包括很多方面—有一個合適的目標，你能及時發現它，你可以抓住它，前提是你能抵達那並把它帶回來。”在美國國會，這個計劃變成了一個政治游戲。

密西西比州議員Steven Palazzo把它稱為“昂貴且複雜的消遣”；其他議員則威脅要阻止為進一步的研究提供資金。(它最終被批准了。)批評者們最初就沒搞明白的是，雖然ARM看起來是科幻式的，但它在技術上是可行的。此外，抓住一塊太空岩石，是為了成就某件更重大的事情。ARM可以是目前惟一一個要把人類送回太空，並讓他們踏上前往月球和火星的道路的計劃。

考慮下最近的歷史：2009年，奧巴馬總統任命的奧古斯丁委員會報告，美國的載人航天計劃處在一個“不可持續的軌道上……追求的目標與分配的資源不相符。”次年，總統宣佈廢棄NASA的星座計劃，而這個計劃本該送航天員重返月球(並且最終前往火星)。相反，他選擇接受該委員會的建議，採取幅度更小、更經濟的步驟，這將使NASA循序漸進地發展必要的技術。

第一個目標，奧巴馬，將是在2025年訪問小行星。但即使是這個目標也超越了目前的能力。NASA正在為載人航天開發的運載工具—太空發射系統和獵戶座飛船是設計用來讓人類稍稍越過月球的，而不是要抵達火星和木星之間的小行星帶。行星協會的Friedman，這就是為什麼當Tantardini帶捕捉小行星的設想來找他時，他變得如此激動，還有為什麼NASA最終也對這個計劃如此迷。這個計劃相當於顛倒了那句關於穆罕默德的諺語：如果人類不能到小行星那去，那麼小行星就必須到我們這裏來。

“這是一種頓悟，對載人航天計劃基本問題的解答，”Friedman，“你有了一個目標；它是有趣的，它是有意義的，它也是科學的，而且它能在現有計劃的框架內實現。”

去年夏天，NASA啟動了小行星進取計劃(Asteroid Initiative)，該計劃由ARM和小行星大挑戰(AGC)組成，為了科學研究和行星防禦而幫助辨認NEO。AGC的首個系列賽“小行星數據獵人”在3月宣佈開始，開發出可改進地面望遠鏡小行星探測能力的算法的參賽者將得3.5美元的獎金。

同時，近地小天體計劃推出了一個系統，可以協調全世界的望遠鏡搜索適於ARM計劃的目標—那些直徑4~10米，其軌道路徑使其易於捕獲並重定向的小行星。NASA的Chodas，自從去年3月啟用以來，這個系統已經通告給他們十幾個可能的候選者。在約翰遜航天中心的中性浮力實驗室，航天員已經開始在水下進行訓練，模擬脫離宇宙飛船並攀爬到模擬的小行星表面。

在NASA指揮載人任務的William Gerstenmaier相信這樣的計劃將會改變人類與宇宙的關係。“這將是我們史上首次在太空中取得一個物體並移動它。”他，“我們開始為自己的利益改造太空。”

對於Tantardini來，他的興趣大多已經轉移到其他的想法上了，比如消費者用的無人機項目。但他期待ARM的發射。“3年前，大多數人會，移動哪怕很小的一顆小行星也是白日做夢，但這個研究團隊發現，這是可以做到的。”Tantardini。“現在的問題不是這個計劃是否能實現，而是何時會實現。”