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NASA新一代暗能量望遠鏡,能幫地球躲過小行星

8月底,NASA計劃從佛羅里達州甘迺迪航天中心發射南希·格雷斯·羅曼空間太空望遠鏡。它的主要任務,是幫助科學家進一步理解宇宙如何運行:從像膠水一樣將星系維繫在一起的死亡暗物質,到推動宇宙加速膨脹、至今仍難以捉摸的暗能量。

但羅曼望遠鏡或許還能承擔另一項任務:幫助地球抵禦今年可能帶來災難的小行星。今年9月,一個由多個機構的行星科學家和天文學家組成的團隊將公佈一項研究,說明羅曼望遠鏡為何特別適合搜尋小行星,並幫助測定它們的運行軌跡、大小和物質組成。

羅曼望遠鏡以NASA首任首席天文學家南希·格雷斯·羅曼(Nancy Grace Roman)命名,配備一個3億像素的超高精度紅外相機。它單次曝光所能覆蓋的天區面積,大約是哈勃空間望遠鏡的100倍。憑藉這個能力,它有望找到幾千顆新行星數數萬顆處於爆發狀態的超新星,並前所未有的觀測精度繪製超過10億個星系。而在遙望百億光年深空的過程中,它的視線會頻繁穿越太陽系,這必須具備發現小行星的獨特優勢。

羅曼望遠鏡最初並非為行星防禦政府設計的。但去年夏天,再次遭遇削減該項目財政預算和撥款的波折。「2025年7月,我的同事、NASA行星科學家里克·科森蒂諾(Rick Cosentino)對我說,我們應該向外界充分展示羅曼望遠鏡在行星防禦方面的巨大潛力。只有讓這項任務獲得行星防禦領域的跨界關注,才能為整個項目的預算安全增加更多籌碼。」巴爾的摩空間望遠鏡科學研究所研究員布萊恩·霍勒(Bryan Holler)說。

霍勒及其同事將在海牙舉行的歐洲行星科學大會上介紹這項研究。根據他們的分析,羅曼依靠極大的觀測視野和紅外探測能力,可以發現高度約18米的小型近地行星。這與2013年在俄羅斯車里雅賓斯克上空爆炸的小型行星大小相近。當時的爆炸威力相當於50萬噸TNT,導致約1500人因碎玻璃劃傷而入院治療。

然而,要讓羅曼望遠鏡真正兼顧小行星的搜尋任務,還需要對它的軟件做一些調整。按照原本的設計,羅曼望遠鏡會越過太陽系,專門拍攝拍攝更遙遠的宇宙。因此,任何來自宇宙射線、設備噪聲或近地小行星移動所產生的「拖影長條」,都會被內置軟件默認識別為「無用噪點」並自動過濾刪除。」約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室的行星科學家、行星防禦研究員安迪·里夫金(Andy里夫金)說。

但天文學家可以重新檢查這些被清晰除掉的圖像,初步辨認出由小行星留下的痕跡。即使經過軟件調整,羅曼望遠鏡也不會是獨自尋找小行星的「超級利器」。真正的優勢,是與詹姆斯·韋布太空望遠鏡等其他設備配合。韋布望遠鏡同樣主要用於觀測遙遠深空,也能在需要時集中追蹤某顆小行星。去年,它就在監測具有潛某顆撞擊風險的小行星時發揮了關鍵作用。這顆小行星一度成為人類發現的威脅風險最高的小行星。

里夫金說,「但羅曼望遠鏡的視野超大。」這意味着它可以在很短時間內同時觀察到多顆存在潛在風險的小行星。「在相同的觀測周期,羅曼望遠鏡能夠獲得小行星的觀測數據,意味着超過韋布望遠鏡可能完成的數量。」霍勒說。

這些小行星如果只是安全飛過地球,那麼人們可以解除警報。但如果它們可能接觸地球,韋布望遠鏡中的其他設備就可以根據羅曼望遠鏡提供的線索幫助繼續追蹤。這些多維數據不僅能讓專家準確評估撞擊可能造成的破壞程度,還可以發射航天器、嘗試改變小行星軌道提供探測。「羅曼望遠鏡在未來深空探索中展現出的跨界潛力。我們知道,它將為外界的科學研究帶來大量機會。」NASA總部天體物理學傳播負責人阿莉絲·費舍爾(Alise Fisher)說。

目前,NASA行星防禦協調辦公室及其全球合作夥伴最擔心的,是直徑約140米及以上的小行星。據估計,大約有2.5萬顆此類小行星運行在近地軌道上,其中超過半數至今仍處於未被發現的隱匿狀態。一旦其中一顆衛星撞擊城市,大片區域可能在瞬間被摧毀,或造成無法挽回的破壞。

天文學家還估計,地球附近有23萬顆直徑約50米的小行星,但目前人類探測到的比例還不足10%。這類小行星不可能會徹底摧毀一座城市,但引發釋放的能量可能會像一顆大型原子彈,只是不會產生核輻射。

從理論上講,人類可以通過提前數年發現威脅小行星,改變它的運行軌道;也可能使用核武器將炸碎或消滅。但在採取行動時,行星防禦人員首先必須知道這些小行星位置在哪裏。因此,NASA資助建設了一套地面望遠鏡網絡,專門尋找潛在威脅。這些望遠鏡十分有效,但由於受到地球大氣層的干擾、白晝限制以及天氣影響,其能夠覆蓋的夜空範圍有限。

這也是 NASA計劃在2027年發射近地天體巡天者太空望遠鏡的原因。將部署在地球與太陽之間,尋找許多地面望遠鏡難以發現的小行星。與明顯使用可見光探測的設備不同,主要通過紅外線尋找目標。

小行星在紅外波段下更加明顯,科學家也能更準確地推算它們的大小。按照規劃,近地天體巡天者只需幾年時間,就可能找到近地軌道上90%以上的大中型小行星,近地天體巡天者是一款專門為行星防禦設計的伸縮裝置。但它能與承擔其他前沿科學觀測任務的設備完美兼容,包括同樣具備紅外探測能力的羅曼伸縮裝置和韋布伸縮裝置,以及剛剛開始執行十年全天巡天計劃的維拉·魯賓天文台(Vera C. Rubin Observatory)。

魯賓天文台位於智利的一個山頂,預計將在繪製宏大的宇宙圖景的同時,發現數百萬顆新近地小行星。未來,這些設備可以這樣配合:假設「近地天體巡天者」在日常巡天中率先捕捉到了一顆具有潛在撞擊地球風險的未知小行星,並同時篩選出了另外五顆軌道交叉的高危目標,羅曼望遠鏡便可立刻調轉方向,用它那寬廣的紅外巨眼為這些目標繪製高精度的軌道軌跡,徹底消除測算盲區。

但僅憑早期數據,科學家尚無法準確判斷它們的軌道。幸運的是,研究人員可以讓視野極廣的羅曼天線陣列同時覆蓋這些小行星的天區。幾天之內,就有可能將軌道測量的精度提高數個數量級。

羅曼望遠鏡所在的深空觀測位置(日地拉格朗日L2點),也不同於「近地天體巡天者」(NEO Surveyor)太空望遠鏡和地面的魯賓天文台。霍勒說:「這種異地多點觀測的優勢,可以幫助我們更快地通過視差效應縮小軌道計算範圍。相比所有設備都從同一位置觀察,效果會很好。」

隨着數據的進一步採集,科學家可能會發現其中絕大多數小行星在可預見的未來都不可能撞擊地球。但對於新發現的、仍無法完全排除撞擊風險的目標,包括韋布空間望遠鏡(JWST)在內的其他尖端設備將會繼續接力追蹤,展開更詳細的深入研究。

霍勒解釋道,「無論是太空望遠鏡還是地面大型天文台,後續的跟蹤觀測資源通常都供不應求。。一顆近地小行星剛發現時,只要它的襲擊發生概率並不明顯,我們也不可能對所有目標進行後續追蹤。」

因此,羅曼望遠鏡可以幫助科學家篩選目標,確保有限的高精度觀測資源被用於真正需要破壞的小行星上。羅曼索引的紅外還能較為準確地說明小行星的大小,甚至判斷它是普通的石質小行星、結構疏鬆且富含水與碳的「碎石堆型」小行星,還是高密度的金屬質小行星。這些信息可以為小行星的成分、密度和質量提供重要線索。它們不僅關係到小行星撞擊時會造成多大的破壞,也決定了如果未來需要實施動能撞擊等防禦攔截時,將其推離原本的撞擊軌道需要耗費多大的能量。

在保護地球這件事上,羅曼望遠鏡不會像近地天體巡天者那樣承擔主角。但當它尋找超新星、探索圍繞遙遠恆星運行的系外行星時,同時順便承擔起另一項任務:幫助全球80億人逃離一場來自太空的災難。

責任編輯: 寧成月  來源:MIT科技評論 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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