我在2020年12月1日阿雷西博射电望远镜拍摄的前几秒视频中，一切看起来都很正常。当然，支撑电缆在去年8月和11月断了，损坏了300米宽的天线。和确定美国国家科学基金会(National Science Foundation)已经计划让阿雷西博(Arecibo)退役，该仪器从1963年开始扫描天空。所以对望远镜来说情况并不好。但至少它还在那里。
但在上午8点之前，情况发生了变化，就像接到命令一样，一股灰尘从支撑柱子上喷了出来。事实证明，那是一根电缆开始断裂。由于承受了额外的负载，其他电缆也开始断裂。不久，曾经悬挂在碗形观测台上方的巨大设备平台开始倾斜。在痛苦地向下摆动之后，平台坠毁．更多的电缆断裂了，碎片到处乱飞，就像拆迁一样。在视频的最后，这台标志性的望远镜上可以看到巨大的洞，周围尘土飞扬。阿雷西博至少据科学家们所知，它已经消失了。
当月球与行星研究所的科学家、阿雷西博行星雷达小组的前成员埃德加德Rivera-Valentín点击视频时，他们只能忍受几秒钟。他们花了好几天时间才看完整整两分钟。“当所有事情都发生的时候，我用了‘悲剧’这个词，”土生土长的波多黎各人Rivera-Valentín说。
阿雷西博在科学发现方面有着悠久而富有传奇色彩的遗产，包括研究空间天气、寻找外星人、测定脉冲星的时间、绘制中性氢气的地图。但它也有一个与众不同的名声:它拥有世界上最强大、最灵敏、最活跃的行星雷达系统。这种雷达可以穿透金星厚厚的大气层，绘制布满灰尘的火星表面的地图，但它也有助于保护地球免受小行星的伤害。这些数据向科学家们展示了这些岩石的细节，揭示了它们是否可能构成威胁，并帮助人类弄清楚，如果有小行星朝我们飞来，他们可以合理地做些什么。Rivera-Valentín说:“做雷达的好处之一就是你在积极地保卫整个地球。”“所以如果有人问你，‘我为什么要在乎?’就像是，‘我要确保那颗小行星不会冲着你来。’”
阿雷西博的雷达工作属于"行星防御:试图识别和防止小行星(和彗星)与这颗行星之间的潜在碰撞，理想情况下，我们希望保持这颗行星的完整性。
在任何一天，太空岩石毁灭性地撞击地球的可能性都很低。但这样一场灾难的后果将是严重的。我们太阳系的历史——行星布满陨石坑，在最近的记忆中与其他行星发生碰撞，巨大的物体穿过地球大气层并被行车记录仪记录下来——证明了统计上的真理:只要有足够的时间，任何一天都不可能发生的事情确实发生了。这就是为什么NASA有一个专门的办公室来研究这个问题;为什么大量天文设备收集预防性数据;以及为什么即将进行的太空任务将展示如果太空岩石撞击地球，地球人可以做什么。
但这就足够了吗?阿雷西博和它的雷达都不能使用了，我们的行星防御武器库不足了。美国和其他国家正在评估风险，集思苦想应对威胁的新方法，并为接下来可能发生的情况制定计划。
计数太空岩石
行星防御一直被“傻笑因素”所困扰。毕竟，小行星带来的天灾似乎是故事片的内容，而不是严肃的科学。但1994年，一颗名为苏梅克-列维的彗星径直冲向木星后，官员们开始给予更多关注。琳达·比林斯是美国宇航局行星防御通信项目的顾问，她还记得两颗行星相撞的情景。1994年7月21日，在一系列撞击发生的几天后，她去了位于华盛顿特区的海军天文台的开放日，在那里，天文观测者可以窥探木星。在外面的草坪上，业余天文学家们在这颗伤痕累累的星球上训练着自己的仪器。木星的引力将彗星粉碎成碎片，碎片流入木星旋转的大气层，温度高达4万摄氏度，将3000公里高的物质柱射向太空。比林斯轻描淡写地说:“我们有确凿的证据证明影响确实发生了。”
不久之后，美国空军官员发表了两份报告，SpaceCast 2020而且空军2025在未来几十年，军方可以或应该采取什么措施来减轻太空岩石的威胁。太空撞击是一个国家安全问题。第一份报告旨在弄清美国如何在太空中保持“制高点”，创造了“行星防御”一词。第二份报告的目标几乎相同，两份报告都描述了小行星探测和缓减，即在小行星出现威胁时消除威胁的努力——例如，用宇宙飞船撞击小行星或在附近引爆核武器使其偏转。
那时，在行星保护工作上出名的科学家都是空军的一员，比如林德利·约翰逊，他现在是美国宇航局行星防御协调办公室的项目执行主任(也是《星球安全》相关部分的作者)SpaceCast)，以及美国宇航局艾姆斯研究中心前主任皮特·沃登。他们和他们的同事对文明变成火山口的风险提出了警告。但是，特别是在9/11之后，这个问题并没有得到很多人所希望的那么多的关注。约翰逊于2003年退役。“NASA说，‘过来吧。我们有一份工作给你，’”他说。他的职责之一是管理NASA的近地天体观测项目。今天，在很大程度上由于约翰逊的努力，这个机构迅速发展成一个完整的行星防御协调办公室，他是那里的老板。约翰逊说:“坦白地说，没有预警的撞击将是我们见过的最大的自然灾害。”他的办公室希望任何假设的影响都是可以避免的。
为此，NASA办公室开展了小行星数据收集项目，部分依靠宽视场光学和红外望远镜，这些望远镜可以看到广阔的天空。由亚利桑那大学和夏威夷大学运营的天文台与约翰逊办公室合作，将他们现有的望远镜改造成哨兵。在2011年最初退役后的几年里，该团队还将天基广域红外探测探测器(WISE)改造为NEOWISE(近地天体WISE)。NEOWISE最近完成了第14次全天空调查，正在进行第15次调查。
与此同时，麻省理工学院林肯实验室的林肯近地小行星研究(线性)软件目前安装在澳大利亚空军的一个名为空间监视望远镜(SST)的资产上。根据某些指标，该软件使这个军事天文台成为世界上效率最高的小行星搜寻工具。它已经发现了142个以前未知的近地天体，4个有潜在危险的天体和8颗新彗星。
这很好，但还没有达到国会想要的效果。目前，官方的任务是发现90%的140米或以上的天体——根据约翰逊的说法，这种尺寸的爆炸将导致“任何地方的糟糕天气”。据估计有25000个这样的坏蛋。他说:“我们正在接近这个目标，也许到今年年底，我们就能找到1万个这样的行星。”20年的努力完成了40%。总的来说，科学家们已经发现了超过2.5万颗大小不一的近地小行星，其中被相机捕捉到的约1.9万颗大于30米。
取代阿雷西博
在全球范围内，从拉脱维亚到哥伦比亚，从中国到以色列，有30个空间组织参与了国际小行星预警网络，这些组织包括专业的业余爱好者、国家太空机构和各个观测站。该小组是在联合国的建议下成立的，负责协调我们这个脆弱星球上的观测和应对工作。自2016年以来，它已经记录了超过300次近距离接近，当小行星被预测在一个月球距离内——地球和月球之间的平均距离——地球的中心。它还协调了三次活动，以实践“可以在相当短的时间内应用于近地天体的观测资源和表征能力”。
这是有用的，因为当发现关闭调用对象时，工作还没有结束。夏威夷、新墨西哥州和亚利桑那州等地的地面光学和红外望远镜进行后续观测，以了解更多关于这些物体的信息，而不仅仅是它们的存在。行星雷达通常也在优化新发现的小行星的轨道和预测它们未来的路径方面发挥作用——绘制出这些天体在未来几年的去向以及它们是否会与地球相交。雷达还有助于识别小行星的形状、组成和轨道。
像阿雷西博这样的雷达观测是这样工作的:如果你向物体发射强大的无线电波，它们会反弹回来，会因物体的自旋、运动、形状和大小，以及小行星可能拥有的任何卫星而改变。他们回话所用的时间也揭示了该物体与地球的精确距离。有了所有这些信息，你就可以细化它的轨道，预测它在遥远的未来会在哪里，以及这个“地方”是否包括爱荷华州。你还可以了解它的特性——如果你必须把它弄偏离轨道，这是很有用的。密集的吗?多孔?圆的?Peanutty吗?“当我们记录返回的回声时，如果它在任何方面与我们传输的不同，我们知道这是由于目标的属性，在这种情况下，是小行星，”月球和行星研究所的高级科学家、阿雷西博雷达项目的前小组组长帕特里克·泰勒说。
进行雷达观测就像在安全的地面上给小行星拍照一样。亚利桑那大学的Ellen Howell说:“这有点像宇宙飞船的飞掠飞行，而成本却只有很小的一部分。”“我们把它们拍成单个岩石的照片，而不仅仅是光点。”这很重要，因为正如行星科学家喜欢说的，如果你看到了一颗小行星，你就看到了一颗小行星。豪厄尔说，随着阿雷西博的损失，“这种能力现在严重削弱了。”这种观察现在，预测未来的能力，然后改变未来将把我们和过去那些可怜的笨蛋区分开来，他们只能承受太空给他们带来的任何冲击。“恐龙没有太空计划，”Rivera-Valentín说。“但我们所做的。”
阿雷西博不是美国唯一的行星雷达——还有一个——位于加州的戈德斯通太阳系雷达——但它能探测到的近地小行星还不到阿雷西博的一半。即使戈德斯通是完美的仪器，事情也会发生，如果它坏了——就在阿雷西博坍缩之前，它进行了大约18个月的维护——这颗行星将不得不在太空中飞行，看不到像以前那样多的东西。“失去阿雷西博会让人们更多地思考下一代会是什么样子，”泰勒说。“不管那是什么，我不知道。”
科学家们的想法。一些人想要建造阿雷西博2.0，在同一个岛屿上合成一些较小的天线，作为一个较大的天线一起工作，从而恢复雷达能力。在西弗吉尼亚州的绿岸天文台，科学家们刚刚与国防承包商雷声公司进行了自己的演示，向月球发射雷达信号，并通过位于新墨西哥州的极长基线阵列(Very Long Baseline Array)中遍布美国各地的天线接收反弹信号。他们希望这将为一个更有吸引力的装置铺平道路，可以进行小行星工作。比林斯说:“在我看来，绿色银行的升级建议听起来棒极了。”“但它还没有资金。”
即使是这样，亚利桑那大学的迈克尔·诺兰也怀疑绿色银行能否取代阿雷西博的能力。从一个点传送到另一个点接收是一种数据密集型的方法，在绿色银行同时进行这两种操作有其自身的问题。他说:“到目前为止，我没有看到任何一个系统是主力系统。”例如，阿雷西博假设的替代者也没有资金。
而该怎么做的问题只是第一道障碍。还有一个更大的问题谁应该做这件事．一些专家认为，科学界独自承担的负担太重了。他们说，也许这项任务应该落在一个在长期规划方面拥有丰富经验、更重要的是拥有稳定资金的组织身上。换句话说，国防部——具体地说，是它新组建的太空部队。
阻止小行星
太空部队是军方的一个新分支，主要负责卫星及其安全和保障，目标是随着国际和商业活动(卫星、航天器、轨道制造系统、现收现付旅行)的增加，跟踪从地球到月球的大大小小的物体。这种一般性的努力被称为空间态势感知，通常由光学仪器和远程雷达进行。该雷达在监测轨道活动的同时，也可以探测到与卫星方向相同(但希望比卫星远得多)的小行星。美国宇航局和太空部队官员一直在讨论在这样一个双赢的系统上进行合作。“这不仅仅是头脑风暴，但我们还没有确定一个具体的概念，”约翰逊说，并指出讨论正在进行中。2020年，这两个组织签署了一份谅解备忘录，同意在某些方面进行合作，包括行星防御和太空态势感知。太空部队将有关合作的问题转给了NASA。
然而，一些人希望扩大军事介入的想法。美国外交政策委员会高级研究员、航空大学空间视野研究工作组前主任彼得·加瑞森希望看到军方领导行星防御工作，特别是减缓。“NASA主要是一个科学和探索机构。在我看来，这显然是一次防御任务。”“你不是为了科学而使小行星偏转。”
实际上没有联邦组织专门负责使小行星偏转。但人们还是在努力。在这方面投入很大的一个机构是能源部——你知道的，就是拥有核武器的那个部门。在洛斯阿拉莫斯国家实验室，凯茜·普莱斯科(Cathy Plesko)从事小行星减缓研究。她通过使用计算机模型研究火星上的陨石坑，进入了行星防御领域。“可是你怎么停止做一个坑?”她不知道。一天，实验室的一位资深天体物理学家说，他认为她用来模拟陨石坑的那种代码可以用来模拟小行星减缓的情况:它们可以显示出小行星在受到某种东西的影响时会如何反应——而不是它是否影响了什么东西。这正是她所担心的中断。
她开始研究这个问题，但实验室的努力并不广泛——直到2013年2月。当月，一颗20米宽的小行星呼啸着穿过大气层，在俄罗斯车里雅宾斯克州上空近30公里处爆炸，威力约为45万吨TNT炸药，造成1600人受伤。与苏梅克-列维事件一样，官员们睁大了眼睛。普列斯科的团队与美国国家航空航天局(NASA)一起着手研究，如果有更大更坏的东西出现，他们需要解决什么物理问题才能做出反应。这项工作首先要揭示小行星是由什么组成的，这是一个非常困难的问题，雷达可以提供最好的地球上的解决方案。“是碎石堆吗?”它们是泥球吗?它们是铁块吗?”Plesko问道。“有很多种类。” That variety makes simulations difficult. If you are modeling a plane on a computer, you know exactly how dense it is and how it is shaped. “We don't have those specifications for asteroids and comets,” she says. “That's something we have to Figure out.”
今天，普列斯科研究了将不同种类的小行星带离地球的各种可能性。一种选择被称为重力拖拉机。你可以乘坐尽可能重的飞船飞到离太空岩石尽可能近的地方。“随着时间的推移，你的宇宙飞船可以诱使小行星或彗星偏离原来的轨道，”她说。但这需要几十年的引诱，而且她估计，技术在一个世纪左右的时间里不会成熟。
一些科学家已经研究过使用连接在小型航天器上的激光来加热物质并使其蒸发，将其抛离表面，这样每一个动作都会产生另一个大小相等、方向相反的物体，从而将小行星推向另一个方向。更直接地说，我们也可以在小行星撞向地球之前用航天器撞击它。或者，用镜子对着它，聚焦太阳光，直到它脱落物质。用火箭移动它。给它上色，改变它的热性质，从而改变它的轨道。在能源部工作的普列斯科也研究了“核僵局爆发”这一更为繁荣的选项。这意味着在近地物体附近引爆核武器，传递能量并抛出一些物质。这就像其他的技术一样使岩石偏转，只是更加，你知道，强调。但对在小行星表面或表面以下爆炸的炸弹的研究表明，它们可能会分裂成更小的碎片，从而产生自身的问题。不管怎样，考虑到核弹的性质以及国际上禁止在太空放置大规模杀伤性武器的规定，这个选择很快就变得复杂起来。 A country could use “prepping for asteroids” as an excuse for nuclear proliferation; furthermore, an asteroid is a global threat, but a single country would be using its own arsenal to fight it. “No one takes that lightly,” Plesko says.
每两年，全球社区都会上演一场《龙与地下城》式的角色扮演游戏，在游戏中，各机构会对虚构的星球防御场景做出反应。有关“影响情景”的信息会提前发布到网上，每天都有ppt式的简报披露更多信息。2019年，在与会者抵达会议之前，他们就知道一块直径在100到300米之间的岩石在8年后撞击地球的几率为1%。到了第三天，他们知道这条船长260米，宽140米，笔直地驶向丹佛。
尽管该小组制定了一项使问题物体偏转的任务，但一块直径60米的碎片还是把它飞向了曼哈顿。角色参与者切换到灾难处理模式，考虑如何疏散，如何处理化工厂和核电站，以及经济后果会是什么样子。今年，游戏玩家们再次回到桌面(通过视频会议)来调查一颗可能在六个月后就会出现的小行星。普列斯科说，整个练习“对做事需要多长时间进行了现实检验”。她补充说，这和好莱坞不一样，好莱坞更像是“一颗小行星被发现了;让我们发射它吧。”不过，用有意义的方式做出回应是人类可以做到的，即使比屏幕上慢。
测试运行
不久，一项大胆的任务将考验我们在太空移动山脉的能力。dart -双小行星重定向测试将于2021年底或2022年初发射，旨在证明我们可以像改变任性的青少年一样改变小行星的路径。约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的安德鲁·里夫金(Andrew Rivkin)是该任务调查小组的负责人之一，他开始研究小行星的基础科学——“太阳系的起源”之类的东西。“无论你试图回答什么，它总会以某种方式回到小行星上，”他说。此外，他补充说，你可以在eBay上买到它们的零件。
或者你可以建造一个宇宙飞船，把它推来推去，就像里夫金现在做的那样。DART将前往Didymos系统，该系统有一颗名为Didymos的大小行星和一颗名为Dimorphos的小卫星。然后宇宙飞船将撞向月球，改变月球围绕其大兄弟的轨道，从而改变大兄弟围绕太阳的运动。这艘重610公斤的航天器将以每秒6.58公里的速度撞击48亿公斤(“小”)的二形卫，使其轨道周期(科学家认为)改变约10分钟。由于二形磷本身的大小与一颗小行星相当，可能会危及城市，科学家们希望看到它们将动量从航天器传递到太空岩石的效果如何。这是一种中等程度的缓解方案，就像里夫金所描述的那样，介于“要么用核武器摧毁它，要么躲进地下室”之间。它也是通过制造冲击来防止冲击。一般的技术在单小行星系统中也适用——你可以把航天器撞到一个更大的小行星上——但科学家们选择双系统来进行这个测试有一个很好的理由:测量一个卫星的轨道改变了多少很简单，因为你可以实时观察它从更大的小行星前面经过。
科学家们将在2022年撞击之前的大约一个月，以单个像素的形式第一次看到这个系统。“这一个像素是我们试图引导的方向，”APL的埃琳娜·亚当斯说，她是任务系统工程师。在到达前一小时，他们将看到月球，并开始向月球航行。”,然后bam在美国，我们失去了所有联系，这很好，”亚当斯说。这意味着一切都变糟了。(“有人付钱让你这么做，对吧?”亚当斯欢呼雀跃。“你要摧毁价值2.5亿美元的宇宙飞船!”)
该团队希望戈德斯通雷达和太空望远镜也能观看这场表演。“我们希望阿雷西博会，”里夫金悲伤地说。收集到的数据将被输入到未来的模型中，Plesko等科学家将利用这些模型来确定如何应对实际的小行星威胁。里夫金说:“像DART这样的项目是一种保险，以防我们确实发现了什么。”缴纳火灾保险和洪水保险;他们检查地下室里的氡。“我们希望并期待氡测试不会发现任何氡，房子不会着火或洪水，但我们正在尽我们的努力。”
尽管里夫金很高兴人们不再认为行星防御是一个笑话，而是可以理解宇宙保险的效用，但他警告不要对太空岩石焦虑。他说:“如果人们被小行星弄得夜不能寐，希望这是在思考所有酷炫的科学。”事实上，正是科学——找出如何探测、跟踪、投射和刻画这些孤独的旅行者——使整个行星防御成为可能。而行星防御，反过来又使人类能够从宇宙中获得一些控制权。普列斯科说:“作为一个物种，这是我们第一次有机会阻止一场自然灾害。”“我们无法阻止飓风或防止地震。我们不能用强力胶把圣安德烈亚斯断层封住。”但是阻止一个星球杀手呢?“如果需要的话，”她说，“我真的相信我们能做到。”
编者注(5/20/21):这篇文章在发布后进行了更新，包括安德鲁·里夫金和埃琳娜·亚当斯的从属关系。
