作者：李明濤（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年11月19日凌晨4時(shí)27分，美國(guó)和加拿大邊境的安大略湖畔，大部分人都還在沉沉的睡夢(mèng)之中。一顆代號(hào)為2022 WJ1的近地小行星悄然而至，以極低的角度闖入大氣層，拖著明亮的尾巴劃過(guò)安大略湖區(qū)，在燒蝕和壓力作用下，在大氣層中解體爆炸。不少人在睡夢(mèng)中被巨大的震動(dòng)聲驚醒，當(dāng)?shù)乇O(jiān)控鏡頭記錄了這顆小行星劃過(guò)天空將黑夜照亮的場(chǎng)景。實(shí)際上，這是人類第六次提前預(yù)警到近地小行星撞擊地球，這顆小行星在天文學(xué)家的密切監(jiān)測(cè)下隕落在安大略畔。
視頻1——近地小行星掠過(guò)多倫多加拿大國(guó)家電視塔
（視頻來(lái)源：EarthCam）
事件回顧
撞擊事件發(fā)生3個(gè)小時(shí)前，位于美國(guó)亞利桑那州萊蒙山頂的卡特琳娜巡天系統(tǒng)正在開展對(duì)近地小行星的日常巡天觀測(cè)?？ㄌ亓漳妊蔡煜到y(tǒng)由3臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡組成，口徑1.5米和0.7米的寬視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡（國(guó)際編號(hào)分別為G96和703）用于發(fā)現(xiàn)未知小行星，而口徑1.0米窄視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡（國(guó)際編號(hào)為I52）用于對(duì)新發(fā)現(xiàn)的小行星進(jìn)行跟蹤測(cè)量?？ㄌ亓漳认到y(tǒng)是全球發(fā)現(xiàn)近地小行星效率最高的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，迄今為止發(fā)現(xiàn)了全球超過(guò)一半的近地小行星。在此前5次成功預(yù)警到近地小行星撞擊地球事件中，有4次是由卡特琳娜巡天系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的。巡天觀測(cè)的主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)那些未知的近地小行星——其中有一些可能對(duì)地球造成嚴(yán)重威脅。比如2013年，一顆直徑大約18米的近地小行星在俄羅斯的車?yán)镅刨e斯克地區(qū)上空解體爆炸，導(dǎo)致了接近1500人受傷。
圖1 車?yán)镅刨e斯克事件動(dòng)圖
（圖片來(lái)源：NASA）
在茫茫夜空中搜索小行星并不容易。因?yàn)檫@些暗弱的小行星可能來(lái)自全天空任何方向，而望遠(yuǎn)鏡某個(gè)瞬間能看到的天區(qū)就像一束手電筒的光。因此，需要將廣袤的夜空劃分成若干“網(wǎng)格”天區(qū)，再用手電筒逐一照亮這些網(wǎng)格“天區(qū)”，得到一副觀測(cè)圖像。圖像里會(huì)有很多恒星，有明亮的恒星、也會(huì)有暗弱的恒星。如果足夠幸運(yùn)的話，可能還會(huì)有行星、矮行星以及小行星和彗星。但此時(shí)天文學(xué)家并不能分辨出來(lái)哪些目標(biāo)是小行星，因?yàn)樵凇笆蛛娡病闭樟恋亩潭痰膸资雰?nèi)，這些目標(biāo)幾乎都是靜止的。天文學(xué)家需要每間隔一段時(shí)間，比如10分鐘左右，用“手電筒”再次逐一照亮這些網(wǎng)格“天區(qū)”。對(duì)同一片天區(qū)在不同時(shí)間拍攝的圖片進(jìn)行對(duì)比，扣除靜止的恒星和背景噪聲等干擾后，才可以找到處于“移動(dòng)”狀態(tài)的近地小行星。
格林尼治時(shí)間11月19日4時(shí)53分（當(dāng)?shù)貢r(shí)間19日0時(shí)53分、距離小行星撞擊約3.5小時(shí)），卡特琳娜巡天系統(tǒng)G96望遠(yuǎn)鏡第一次拍攝到這顆小行星，在5時(shí)02分、5時(shí)10分、5時(shí)18分又分別拍攝了三張圖像。在對(duì)四張圖像處理后，卡特琳娜系統(tǒng)觀測(cè)員David Rankin發(fā)現(xiàn)了這顆有可能會(huì)沖向地球的小行星。由于之前有過(guò)4次成功發(fā)現(xiàn)地球“撞擊者”的經(jīng)驗(yàn)，值班人員敏銳地判斷到這可能是一顆將要撞擊地球的小行星?？ㄌ亓漳认到y(tǒng)隨即終止了日常巡天程序，利用G96望遠(yuǎn)鏡在5時(shí)35分時(shí)，每間隔11秒對(duì)這顆小行星連續(xù)拍攝了4張圖像，以提高對(duì)這顆小行星的軌道測(cè)量精度。新的數(shù)據(jù)確認(rèn)了這顆小行星會(huì)以極大概率沖向地球，操作人員隨即將3臺(tái)望遠(yuǎn)鏡全部對(duì)準(zhǔn)小行星，進(jìn)行精密跟蹤觀測(cè)，美國(guó)堪薩斯州的遠(yuǎn)點(diǎn)天文臺(tái)（Farpoint Observatory）、加州的沙斯塔谷天文臺(tái)（Shasta Valley Observatory）也對(duì)該小行星進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)。
視頻2 卡特琳娜巡天系統(tǒng)拍攝到的小行星圖像
（視頻來(lái)源：Catalina Sky Survey）
格林尼治時(shí)間6時(shí)12分（當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨2時(shí)12分，距離小行星撞擊約2.2小時(shí)），在G96、703和I52望遠(yuǎn)鏡各自完成了4次觀測(cè)后，卡特琳娜巡天系統(tǒng)確認(rèn)了這顆近地小行星撞擊地球的概率將到達(dá)100%，也測(cè)量出來(lái)這顆小行星的絕對(duì)星等為33.5,這意味著這顆小行星尺寸可能不足1米——這種尺寸的小行星會(huì)在大氣層中燒掉、不會(huì)對(duì)地面造成任何威脅。這些數(shù)據(jù)被同步到國(guó)際小行星中心網(wǎng)站，美國(guó)宇航局的“偵察兵”系統(tǒng)也對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。
圖2 “偵察兵”系統(tǒng)分析表明這顆小行星撞擊地球可能性為100%
(圖片來(lái)源：NASA）
格林尼治時(shí)間 6時(shí)20分（當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨2時(shí)20分，距離小行星撞擊約2小時(shí)），卡特琳娜系統(tǒng)的首席運(yùn)營(yíng)專家Richard A. Kowalski向小天體郵件列表（ Minor Planet Mailing List，MPML）群發(fā)了一則消息——卡特琳娜巡天系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了一顆看起來(lái)要撞擊地球的小行星C8FF042，呼吁全球觀測(cè)者對(duì)該小行星進(jìn)行觀測(cè)，以獲得盡可能多的數(shù)據(jù)。MPML郵件列表聚集了來(lái)自全球不同地區(qū)的天文專家和愛(ài)好者。美國(guó)天文學(xué)家Bill Gray預(yù)測(cè)該小行星將于格林尼治時(shí)間8時(shí)26分55秒隕落在美國(guó)與加拿大邊境的安大略湖畔布蘭特福德上空。有人嘗試進(jìn)行了跟蹤，發(fā)現(xiàn)這顆小行星移動(dòng)太快了，望遠(yuǎn)鏡無(wú)法跟上這顆小行星，但編號(hào)為H36和T12的望遠(yuǎn)鏡還是成功地“逮”到了這顆小行星。有人開始在社交平臺(tái)發(fā)布消息，呼吁還沒(méi)有睡眠的“夜貓子們”對(duì)即將到來(lái)的小行星進(jìn)入大氣層引發(fā)的火流星場(chǎng)景進(jìn)行觀測(cè)。
圖3 Richard A. Kowalski向小天體郵件列表發(fā)送的郵件
（圖片來(lái)源：作者）
格林尼治時(shí)間7時(shí)55分（當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨3時(shí)55分，距離小行星撞擊約0.5小時(shí)），位于冒納凱阿火山頂、編號(hào)為T12的夏威夷大學(xué)88英寸望遠(yuǎn)鏡捕獲了這顆小行星的最后一副圖像，隨后這顆小行星進(jìn)入了地球的陰影之中，沒(méi)有望遠(yuǎn)鏡能夠再次看到這顆小行星。但小行星闖入大氣層后，在大氣摩擦和燒蝕作用下，小行星的動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為光能向外輻射，將形成明亮的火流星。由于這顆小行星進(jìn)入大氣層的角度僅有10 左右，它將以接近水平的角度撞向地球，這意味著掠過(guò)的軌跡將非常長(zhǎng)，安大略湖畔居民如果還處于清醒狀態(tài)，將能見(jiàn)證這顆拖著尾巴的小行星火球在劃過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的軌跡后撞向地球。有人開始帶著便攜式拍攝設(shè)備來(lái)到戶外，等待這顆小行星進(jìn)入大氣層。
格林尼治時(shí)間8時(shí)27分（當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨4時(shí)27分，撞擊發(fā)生），這顆小行星如約而至，它拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的明亮的尾巴，自西南偏西向東北偏東劃過(guò)。有人拍到了這顆小行星劃過(guò)位于多倫多的加拿大國(guó)家電視塔的場(chǎng)景，可以看出這顆小行星向高速列車一樣，接近水平地劃過(guò)加拿大國(guó)家電視塔，在大氣摩擦和燒蝕作用下，解體爆炸，一路灑落碎塊。由于角度較低，這顆小行星經(jīng)過(guò)了充分的大氣減速，所以看起來(lái)似乎小行星運(yùn)行速度并不高，很可能有大量小碎塊降落到地表。美國(guó)宇航局對(duì)落點(diǎn)進(jìn)行了分析，認(rèn)為很可能在安大略畔尋找到小碎塊，但大碎塊可能落在了湖里。有人聽(tīng)到了小行星解體引發(fā)的巨大震動(dòng)聲，感覺(jué)就發(fā)生在附近；有人半夜醒來(lái)，聽(tīng)到廚房里盤子發(fā)出震動(dòng)的聲音。國(guó)際小行星中心在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，為該小行星賦予臨時(shí)編號(hào)2021 WJ1，而此時(shí)小行星已經(jīng)撞擊了地球。
圖4 可能的落點(diǎn)
（圖片來(lái)源：NASA）
并非第一次提前預(yù)警小行星撞擊
這是人類第六次成功預(yù)警到近地小行星撞擊地球事件。此前5次分別為：
——2008年10月6日，卡特琳娜巡天系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的2008 TC3小行星，尺寸約為3米，撞擊速度約為12.8km/s,預(yù)警時(shí)間約為17小時(shí)；
——2014年1月1日，卡特琳娜巡天系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的2014 AA小行星，尺寸約為2.3米，撞擊速度約為11.7 km/s，預(yù)警時(shí)間約為19小時(shí)；
——2018年6月2日，卡特琳娜巡天系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的2018 LA小行星，尺寸約2.8米，撞擊速度約16.8km/s，預(yù)警時(shí)間約為7小時(shí)；
——2019年6月22日，卡特琳娜巡天系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的2019 MO小行星，尺寸約5米，撞擊速度約為16.1km/s，預(yù)警時(shí)間約為12小時(shí)；
——2022年3月11日，匈牙利雙魚座天問(wèn)題發(fā)現(xiàn)的2022 EB5小行星，尺寸約2米，撞擊速度約為18.5km/s，預(yù)警時(shí)間約為2小時(shí)。
可以看出，卡特琳娜系統(tǒng)在預(yù)警撞擊地球的近地小行星方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。這跟卡特琳娜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)理念相關(guān)。大部分用于小行星監(jiān)測(cè)的望遠(yuǎn)鏡都是“單打獨(dú)斗”，而卡特琳娜巡天系統(tǒng)打的是“組合拳”——2臺(tái)巡天望遠(yuǎn)鏡協(xié)同配合對(duì)廣域天區(qū)進(jìn)行普查，而一旦發(fā)現(xiàn)可能撞擊地球的來(lái)襲小行星，馬上將巡天模式切換為應(yīng)急模式，調(diào)動(dòng)全部3臺(tái)望遠(yuǎn)鏡對(duì)來(lái)襲小行星進(jìn)行跟蹤測(cè)量，可以及時(shí)判斷目標(biāo)小行星是否為撞擊者。相比之下，另外一個(gè)在近地天體巡天領(lǐng)域作出巨大貢獻(xiàn)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)——泛星計(jì)劃望遠(yuǎn)鏡，雖然單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡能力比卡特琳娜系統(tǒng)要更突出，但由于缺乏自跟蹤能力，迄今尚沒(méi)有提前發(fā)現(xiàn)一顆撞擊體。除此之外，卡特琳娜巡天系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)專門優(yōu)化了針對(duì)撞擊體的軌道確定算法。盡管在人工智能時(shí)代，望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)處理逐漸向智能化方向發(fā)展，但卡特琳娜巡天系統(tǒng)一直有觀測(cè)員值班，可以第一時(shí)間研判撞擊情況、及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急模式并對(duì)外公布信息。這也是卡特琳娜巡天系統(tǒng)在口徑并不突出的條件下，連續(xù)多年獲得近地小行星巡天發(fā)現(xiàn)冠軍的重要原因?？ㄌ亓漳妊蔡煜到y(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)未來(lái)構(gòu)建近地小行星監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)也有借鑒意義。
圖5 卡特琳娜巡天系統(tǒng)
（圖片來(lái)源：Catalina Sky Survey）
無(wú)須驚慌，也不能掉以輕心
實(shí)際上，米級(jí)小行星撞擊地球，幾乎每個(gè)月都會(huì)發(fā)生，絕大部分都是在撞擊地球之后，才被人發(fā)現(xiàn)，形成耀眼的火流星事件。比如發(fā)生在2017年的云南香格里拉火流星事件、2018年的云南西雙版納火流星事件、2019年的吉林松原火流星事件、2020年的青海玉樹火流星事件、2021年的河南南陽(yáng)火流星事件，以及今年在甘肅寧夏邊界發(fā)生的固原火流星事件。這類事件一般不會(huì)對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)安全造成危害，但會(huì)引發(fā)比較大的社會(huì)關(guān)注，甚至?xí)E石獵人去獵尋這種稀有的“天外來(lái)客”——隕石。
近地小行星撞擊地球頻率與其尺寸呈反比關(guān)系。尺寸越小的小行星撞擊地球頻率越高，但由于大氣層保護(hù)，小尺寸小行星一般會(huì)在大氣層中解體，引發(fā)危害也小，甚至完全無(wú)害。尺寸較大的小行星撞擊地球頻率低，但一旦撞擊引發(fā)危害性效應(yīng)極大，甚至引發(fā)地球環(huán)境災(zāi)變，導(dǎo)致物種滅絕。就像6500萬(wàn)年前，一顆直徑大約10千米的近地小行星撞擊北美墨西哥灣，是導(dǎo)致恐龍滅絕的重要科學(xué)模型之一。但值得慶幸的是，這類可能導(dǎo)致全球級(jí)災(zāi)難的直徑公里級(jí)的近地小行星，人類已經(jīng)編目了95%以上，我們?cè)庥鲞@種“絕世天劫”的可能性微乎其微。
表 小行星撞擊危害與平均撞擊間隔
（來(lái)源：美國(guó)國(guó)家近地天體戰(zhàn)略規(guī)劃與應(yīng)對(duì)方案）
|
尺寸 |
危害 |
撞擊能量 （兆噸TNT） |
平均撞擊間隔（年） |
|
5 |
火球 |
0.01 |
1 |
|
10 |
超級(jí)火球 |
0.1 |
10 |
|
25 |
空爆 |
1 |
100 |
|
50 |
大城市級(jí) |
10 |
1000 |
|
140 |
小型國(guó)家級(jí) |
300 |
20，000 |
|
300 |
洲際級(jí) |
2000 |
70，000 |
|
600 |
低于全球級(jí) |
20，000 |
200，000 |
|
1000 |
可能全球級(jí) |
100，000 |
700，000 |
|
5000 |
高于全球級(jí) |
10，000，000 |
30，000，000 |
|
10000 |
大滅絕級(jí) |
100，000，000 |
100，000，000 |
當(dāng)然，我們也不能掉以輕心——真正值得關(guān)注的是直徑20米級(jí)、50米級(jí)和140米級(jí)近地小行星。這類小行星數(shù)量多、撞擊概率不忽視，也能引發(fā)城鎮(zhèn)級(jí)、大城市級(jí)和區(qū)域級(jí)危害。但截至目前，直徑140米級(jí)小行星僅發(fā)現(xiàn)了約40%、直徑50米級(jí)近地小行星發(fā)現(xiàn)率不足5%、而直徑20米級(jí)近地小行星發(fā)現(xiàn)率不足1%。這意味著，人類防范近地小行星撞擊威脅還有很長(zhǎng)的路要走。