近地小行星觀測(cè)技術(shù)分析

孫海彬，孫勝利

（1. 中國(guó)科學(xué)院 智能紅外感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；2. 中國(guó)科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所 上海 200083）

引 言

小行星作為圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的一類特殊的天體，由于其數(shù)量較大、個(gè)體特征迥異、運(yùn)行軌道特殊等特點(diǎn)，對(duì)人類探究宇宙演化和起源、尋求新的生存空間以及保護(hù)地球安全等活動(dòng)有重要的科學(xué)意義。太陽(yáng)系內(nèi)的小行星大都運(yùn)行在火星和木星軌道之間，稱為主帶小行星；也存在一些距離太陽(yáng)更近并與地球軌道有交叉的小行星，天文學(xué)上通常把這種離地球軌道更近（小于0.3 AU）的小行星統(tǒng)一稱為近地小行星（Near Earth Asteroid, NEA）[1]。其中直徑大于140 m且與地球軌道交會(huì)距離小于0.05 AU的小天體稱為潛在威脅天體(Potentially Hazardous Objects，PHOs)，對(duì)地球安全和人類的生存將構(gòu)成巨大威脅。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，目前已確認(rèn)的超過1.7萬顆近地天體中有近1 700顆應(yīng)被認(rèn)為具有“潛在危險(xiǎn)性”[1-2]。這些小行星撞擊地球后將會(huì)誘發(fā)氣候、生態(tài)與環(huán)境的劇烈災(zāi)變，體積較大的小行星甚至可能導(dǎo)致地球上物種的滅絕，如：恐龍滅絕事件等[2-4]。小行星撞擊地球所引發(fā)的災(zāi)害是瞬時(shí)的，但此類災(zāi)害具有可預(yù)測(cè)、可防御的特點(diǎn)[2,5]。因此，針對(duì)近地小行星的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、危險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制的建立以及相應(yīng)的防御策略的規(guī)劃、實(shí)施，將能夠有效降低小行星撞擊的危害程度、規(guī)避小行星撞擊給地球和自然界物種所帶來的威脅。

以美歐為代表的航天大國(guó)很早就開展了近地小行星的觀測(cè)和防御計(jì)劃，盡管目前小行星探尋工作已取得豐碩成果，但仍有許多危險(xiǎn)性較大的小行星未被觀測(cè)到。美國(guó)國(guó)會(huì)要求美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）到2020年要發(fā)現(xiàn)90%以上的直徑大于140 m的近地小行星（Brown Jr計(jì)劃）[6]，美國(guó)在整合大量地基望遠(yuǎn)鏡的同時(shí)，部署了廣域巡天望遠(yuǎn)鏡NEOWISE和下一代NEOCam空間小行星觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡，歐洲航天局（European Space Agency，ESA）于2009年也啟動(dòng)了“太空態(tài)勢(shì)感知”計(jì)劃，統(tǒng)籌20個(gè)成員國(guó)開展空間碎片和潛在威脅天體觀測(cè)任務(wù)，以便更精準(zhǔn)地搜尋具有“潛在危險(xiǎn)性”的小行星[7-8]。比較典型的小行星探測(cè)計(jì)劃如：美國(guó)的“尼爾–舒梅克號(hào)”（Near Earth Asteroid Rendezvous-Shoemaker）、“黎明號(hào)”（Dawn）、OSIRIS-Rex（”O(jiān)rigins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer）探測(cè)器，日本“隼鳥號(hào)”（Hayabusa）、“隼鳥2號(hào)”（Hayabusa 2），ESA的“羅塞塔號(hào)”（Rosetta）等[9]。2015年中國(guó)的“嫦娥2號(hào)”探測(cè)器在拓展任務(wù)中近距離飛越“戰(zhàn)神”小行星（4179 Toutatis），實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在近地小行星抵近探測(cè)領(lǐng)域的突破[10]。

現(xiàn)階段，我國(guó)近地小天體觀測(cè)仍以地面可見光觀測(cè)設(shè)備為主，且僅有一個(gè)小天體觀測(cè)專用平臺(tái)，無小天體空間觀測(cè)設(shè)備。本文以小行星的潛在威脅為切入點(diǎn)，綜合分析小行星觀測(cè)及防御技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合我國(guó)小天體觀測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展需求，提出我國(guó)開展小天體空間紅外觀測(cè)技術(shù)初步方案，為我國(guó)構(gòu)建天地一體的小天體觀測(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)，自主開展近地小行星觀測(cè)、預(yù)警、防御技術(shù)研究提供參考。

1 小行星的潛在威脅分析

人類賴以生存的地球時(shí)刻面臨著多種威脅，而小行星的撞擊是所有潛在威脅當(dāng)中可能造成地球毀滅的最嚴(yán)重威脅種類之一。2005年11月在倫敦舉行的“近地天體”研討會(huì)上，英國(guó)天文學(xué)家莫尼卡·格拉迪曾指出“近地小行星和地球相撞是時(shí)間問題，而不是會(huì)不會(huì)的問題”。小行星撞擊地球?qū)⒖赡芤l(fā)多種難以抵抗的災(zāi)難，如：全球性森林火災(zāi)，大氣層環(huán)境改變，全球溫度大幅度變化，大規(guī)模地震、海嘯等。

6 500 萬年前，一個(gè)直徑10 km的小行星撞擊在尤卡坦上，引發(fā)了全球性森林火災(zāi)和強(qiáng)烈的地震、海嘯，揚(yáng)起的塵埃長(zhǎng)時(shí)間遮住了陽(yáng)光，使得地球溫度下降了16 ℃[11]，導(dǎo)致了地球上70%的物種滅亡，其中最典型的就是恐龍。1908年，俄羅斯西伯利亞通古斯地區(qū)的一次小行星碰撞地球引發(fā)的大爆炸毀滅了約2 000 km2的西伯利亞森林[12]；2008年，小行星TC3進(jìn)入蘇丹北部上空大氣層時(shí)發(fā)生爆炸，釋放出總計(jì)高達(dá)1.1～2.1 kt當(dāng)量的能量，相當(dāng)于一枚小型核彈的威力[1,12]；2013年，在俄羅斯Chelyabinsk發(fā)生的一起隕石爆炸事件直接造成了約1 500人受傷，1 000多間房屋受損，僅僅18 h之后，又有一顆直徑50 m、重143 kt的小行星（2012DA14）在離地球2.77萬km處飛過[2,4,13]。在這些潛在威脅的近地小行星中，曾最受關(guān)注的是2004年7月發(fā)現(xiàn)的阿波菲斯（Apophis）小行星（約3個(gè)半足球場(chǎng)大），雖然經(jīng)過多年的持續(xù)觀察已經(jīng)排除其2029年撞擊地球的可能性，但仍會(huì)近距離飛越地球，進(jìn)一步的觀測(cè)表明其在2036年和2068年撞到地球的概率分別約為1/25萬和1/3萬[3,14-15]。

天文觀測(cè)表明每天都有眾多的小行星、行星碎片沖入大氣層，但是由于其體積太小（直徑遠(yuǎn)小于140 m），這類小天體在經(jīng)過地球表面大氣層時(shí)由于摩擦基本燃燒殆盡，大部分對(duì)地球沒有威脅。表1列出了隨著近地小行星直徑的增加，其撞擊地球引發(fā)的災(zāi)害規(guī)模、產(chǎn)生的撞擊能量以及撞擊事件發(fā)生概率的變化趨勢(shì)。伴隨人類探索太空腳步不斷加快，航天器的安全運(yùn)行、尤其是空間站等大型空間設(shè)施的安全也越來越重要，而小行星的撞擊則會(huì)對(duì)航天器造成毀滅性的破壞，甚至可能引起連鎖的太空爆炸。美國(guó)和俄羅斯先后開展了太空碎片的捕獲實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)威脅性小行星的可能危害提出了多種積極的系統(tǒng)性防御方案[16-18]。中國(guó)航天事業(yè)正處于發(fā)展黃金期，空間站的建設(shè)也已經(jīng)初具規(guī)模，我們?cè)诎l(fā)展航天事業(yè)的同時(shí)，有必要積極開展空間設(shè)施的防護(hù)工作，拓展有關(guān)空間碎片、小行星等的觀測(cè)、監(jiān)視、預(yù)警以及防御相關(guān)工作，為航天事業(yè)保駕護(hù)航。

表1 近地天體撞擊事件分類[3]Table 1 Kinds of the NEO impacts[3]

2 近地小行星的觀測(cè)現(xiàn)狀分析

2.1 近地小行星觀測(cè)現(xiàn)狀

國(guó)際小行星中心（Minor Planet Center，MPC）作為全球小行星觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)中心，負(fù)責(zé)收集、處理和發(fā)布來自全球46個(gè)國(guó)家提供的小行星、彗星等觀測(cè)數(shù)據(jù)、軌道信息等資料，據(jù)MPC統(tǒng)計(jì)，截至2018年1月人類共進(jìn)行了近18.28億次觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)小行星75萬多顆，其中近地小行星1.7萬多顆[1,19-20]。

近些年，NASA組建的近地天體研究中心（Center for Near Earth Object Studies，CNEOS）是世界范圍內(nèi)較有影響力的小行星觀測(cè)組織之一，圖1是CNEOS發(fā)布的近地小行星觀測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)[21]。如圖1（a）所示，截至2018年1月28日，全球共發(fā)現(xiàn)近地小行星17 627顆，其中直徑大于140 m的約8 035顆，直徑大于1 km的約886顆，隨著觀測(cè)技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，最近10年內(nèi)近地天體發(fā)現(xiàn)的數(shù)量迅速增長(zhǎng)。同時(shí)表中也可以看出：已探明的小行星中，直徑大于1 km的小行星數(shù)量自2010年以來基本維持不變，側(cè)面也說明了我們的觀測(cè)技術(shù)手段亟需變革。而圖1（b）中數(shù)據(jù)表明：雖然人類每年觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的近地小行星總體數(shù)目不斷增加，但在世界范圍內(nèi)，近地小行星的觀測(cè)數(shù)據(jù)主要由少數(shù)幾套觀測(cè)系統(tǒng)提供，如：麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的LINEAR（Lincoln Near Earth Asteroid Research）項(xiàng)目、亞利桑拿大學(xué)月亮和行星實(shí)驗(yàn)室的CSS（Catalina Sky Survey）系統(tǒng)以及由NASA資助的位于夏威夷毛伊島的Pan-STARRS（Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System）系統(tǒng)等，而其它相關(guān)的觀測(cè)設(shè)備提供的數(shù)據(jù)相對(duì)較少。上述提供大部分?jǐn)?shù)據(jù)的3套天文觀測(cè)系統(tǒng)都是地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，為了克服地基觀測(cè)系統(tǒng)受大氣層影響導(dǎo)致探測(cè)靈敏度下降的問題，近幾年，歐美等國(guó)家也在積極探索和嘗試天基觀測(cè)設(shè)備，并已經(jīng)初步開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。相比于光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)，紅外天文觀測(cè)系統(tǒng)具有探測(cè)靈敏度高、探測(cè)范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)于2009年已經(jīng)發(fā)射了近地天體大視場(chǎng)紅外巡天探測(cè)衛(wèi)星（NEO-WISE）[21]，并在積極布局下一代小天體空間觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡NEO Cam。此外，雷達(dá)設(shè)備作為比較常用的探測(cè)手段也被應(yīng)用于小行星的探測(cè)監(jiān)視工作中[22-23]。

圖1 CNEOS發(fā)布的近地天體觀測(cè)數(shù)據(jù)[21]Fig. 1 Observation data of NEO issued by CNEOs[21]

2.2 典型的近地小行星觀測(cè)系統(tǒng)性能分析

小行星地基光學(xué)觀測(cè)平臺(tái)通常采用地面光學(xué)觀測(cè)得到的小行星光變曲線，進(jìn)而反演出小行星的形狀特征和軌道特點(diǎn)。美國(guó)Pan-STARRS系統(tǒng)（見圖2）是現(xiàn)階段比較先進(jìn)的地基光學(xué)探測(cè)平臺(tái)，望遠(yuǎn)鏡采用1.8 m口徑R-C系統(tǒng)，系統(tǒng)視場(chǎng)角約為3°，探測(cè)器組件由60個(gè)獨(dú)立的CCD按8 × 8陣列拼接組成，每個(gè)CCD單元由64個(gè)600 × 600像素單元組成，使得系統(tǒng)的像素達(dá)到1.4億[24]。作為一個(gè)能夠?qū)Ω鼜V闊領(lǐng)域天體進(jìn)行天文測(cè)量和光度測(cè)定的巡天系統(tǒng)，通過對(duì)比同一天區(qū)不同時(shí)間內(nèi)區(qū)域特征的變化發(fā)現(xiàn)彗星、小行星及變星，尤其是有撞擊地球潛在威脅的近地天體等[25]。從圖1（b）中可以看出，從2011年起，Pan-STARRS系統(tǒng)所提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)逐年增加，到2015年，該系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)幾乎占整體數(shù)據(jù)的45%，是繼LINEAR和CSS系統(tǒng)之后，在小行星觀測(cè)領(lǐng)域美國(guó)研制的最先進(jìn)的巡天系統(tǒng)。

圖2 美國(guó)Pan-STARRS觀測(cè)系統(tǒng)Fig. 2 Pan-STARSS of the USA

美國(guó)的卡特琳娜巡天系統(tǒng)（Catalina Sky Survey，CSS）是較為典型的地基巡天系統(tǒng)，由口徑1.5 m、1.0 m和0.7 m的3個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成，如圖3（a）～圖3（c）所示，3個(gè)望遠(yuǎn)鏡分別位于3處觀測(cè)站：亞利桑那州萊蒙山（Mountain Lemmon）、畢吉諾山（Mountain Bigelow）和澳大利亞的賽丁泉天文臺(tái)（Siding Spring Survey，SSS）[26]。其中1.5 m口徑的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)F數(shù)為1.6，視場(chǎng)角為2.25°，探測(cè)器像素達(dá)1.11億；1.0 m望遠(yuǎn)鏡采用卡塞格林反射系統(tǒng)，設(shè)計(jì)F數(shù)為2.6，視場(chǎng)角為0.54°，探測(cè)器規(guī)模為2 K × 2 K；而0.7 m望遠(yuǎn)鏡則采用施密特系統(tǒng)，設(shè)計(jì)F數(shù)為1.8，視場(chǎng)角為4.4°，探測(cè)器像素同樣能夠達(dá)到1.11億，3個(gè)望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)指標(biāo)和工作內(nèi)容相輔相成。CSS系統(tǒng)的主要作用是探索發(fā)現(xiàn)彗星、小行星和搜索近地小行星，尤其是直徑超過140 m的近地天體，美國(guó)國(guó)會(huì)授權(quán)CSS團(tuán)隊(duì)編目90%以上直徑超過140 m的近地天體[26]。此外，該實(shí)驗(yàn)室（月球行星實(shí)驗(yàn)室）同時(shí)負(fù)責(zé)另一個(gè)天文觀測(cè)系統(tǒng)（Spacewatch系統(tǒng)）的研制和運(yùn)行，該系統(tǒng)由0.9 m口徑和新建的1.8 m口徑望遠(yuǎn)鏡組成，主要任務(wù)就是搜索太陽(yáng)系的小天體，系統(tǒng)是第一個(gè)用CCD相機(jī)來搜索小行星和彗星進(jìn)行日常觀測(cè)的系統(tǒng)[27]。

2000年左右在對(duì)近地小行星觀測(cè)貢獻(xiàn)最大的LINEAR系統(tǒng)是麻省理工林肯實(shí)驗(yàn)室（Lincoln Laboratory）中由美國(guó)空軍和NASA共同資助的研究項(xiàng)目，其首要任務(wù)是論證發(fā)展地球同步軌道衛(wèi)星監(jiān)視技術(shù)，同時(shí)探測(cè)、監(jiān)視和編目對(duì)地球有威脅的近地小行星[28]。近地小行星的探測(cè)監(jiān)視主要依托位于林肯實(shí)驗(yàn)室的一對(duì)1 m口徑的地基光電深空探測(cè)望遠(yuǎn)鏡（Ground-based Electro-Optical Deep Space Surveillance，GEODSS），望遠(yuǎn)鏡采用卡塞格林反射系統(tǒng)，探測(cè)器采用裝備實(shí)驗(yàn)室自主研制的CCD。LINEAR項(xiàng)目在早期為MPC提供了大量的近地天體觀測(cè)數(shù)據(jù)（參見圖1（b））。

圖3 美國(guó)卡特琳娜巡天系統(tǒng)（CSS）Fig. 3 CSS of the USA

國(guó)際上在小行星觀測(cè)領(lǐng)域還有其它一些觀測(cè)跟蹤系統(tǒng)和相關(guān)項(xiàng)目，如：Lowell Observatory Near-Earth-Object Search（LONEOS）計(jì)劃、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的近地小行星跟蹤系統(tǒng)（NEAT）以及ESA的La Sagra巡天望遠(yuǎn)鏡和位于特納里夫島（Tenerife）的1 m口徑望遠(yuǎn)鏡，帕洛瑪小行星和彗星搜尋，歐洲NEO搜尋、追蹤和物理觀測(cè)計(jì)劃（European NEO Search, Follow-up and Physical Observation Programme，EUNEASO）等。然而，考慮不同觀測(cè)系統(tǒng)主要任務(wù)的差異，同時(shí)受系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)以及觀測(cè)位置等條件的限制，其它各種觀測(cè)系統(tǒng)提供的近地小行星相關(guān)數(shù)據(jù)相對(duì)較少。

1995年，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)提出了“中國(guó)近地天體探測(cè)”（Chinese Near Earth Object Survey，CNEOS）計(jì)劃，并于1998年正式啟動(dòng)，2006年紫金山天文臺(tái)在盱眙觀測(cè)站建成了一臺(tái)口徑1 m的施密特望遠(yuǎn)鏡（口徑在全球排名第6），配備4 K × 4 K漂移掃描CCD探測(cè)器，像素高達(dá)1 600萬以上。截止2012年8月，利用該望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了149 971顆小行星，發(fā)現(xiàn)了1 279顆臨時(shí)編目小行星，編目了251顆小行星[29]。此外，為保證“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星飛越探測(cè)任務(wù)的順利進(jìn)行，中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)總體部聯(lián)合組織了國(guó)內(nèi)多家天文臺(tái)（主要有國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)和上海天文臺(tái)），從2012年5月份起利用地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)4179號(hào)小行星進(jìn)行連續(xù)接力觀測(cè)，獲取了大量的精確觀測(cè)數(shù)據(jù)，為“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星飛越探測(cè)小行星的軌道設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，也開創(chuàng)了我國(guó)小行星抵近探測(cè)的新局面[10]。

在小行星天基觀測(cè)方面，美國(guó)于2009年發(fā)射了搭載0.5 m口徑望遠(yuǎn)鏡的天基近地天體大視場(chǎng)紅外巡天探測(cè)衛(wèi)星（NEOWISE）。該衛(wèi)星于2009—2011年間發(fā)現(xiàn)了幾百顆近地小行星和彗星[30]，經(jīng)過兩年休眠后NEOWISE于2013年后又重新開始工作，是現(xiàn)階段國(guó)際上主要的小行星天基觀測(cè)系統(tǒng)之一。加拿大于2013年2月搭載發(fā)射了0.15 m口徑望遠(yuǎn)鏡的近地目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星（Near-Earth Object Surveillance Satellite，NEOSSat），主要用于監(jiān)視近地小行星和空間碎片[31-32]。德國(guó)的Asteroid Finder衛(wèi)星主要任務(wù)也是探測(cè)小行星[3,33]。由于受反射角度的影響，小行星反射的太陽(yáng)光更容易進(jìn)入位于日地間拉格朗日點(diǎn)L1處，甚至更靠近太陽(yáng)到金星軌道的天基望遠(yuǎn)鏡，因此，NASA提出發(fā)射日地間拉格朗日點(diǎn)L1和類似金星軌道的天基近地小天體探測(cè)望遠(yuǎn)鏡[34]，如：計(jì)劃運(yùn)行在類金星軌道的近地天體巡天航天器NEO Survey，搭載了0.5 m口徑的紅外望遠(yuǎn)鏡[35]。天基光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)通常采用被動(dòng)探測(cè)方式，具有可觀測(cè)距離較遠(yuǎn)、獲取目標(biāo)天體的幾何特征更精確、系統(tǒng)載荷技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)、具備長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)的能力等優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然，天基觀測(cè)系統(tǒng)也有自身的一些缺陷，如：技術(shù)不夠成熟，運(yùn)行和維護(hù)成本相對(duì)地基觀測(cè)系統(tǒng)較高。

除光學(xué)觀測(cè)手段外，微波探測(cè)也是現(xiàn)階段小行星探測(cè)常用的手段之一。目前，微波探測(cè)技術(shù)主要依靠大型地基雷達(dá)觀測(cè)平臺(tái)[22-23]，雷達(dá)觀測(cè)一般通過天線等微波發(fā)射裝置向小行星發(fā)射一定頻率的電磁波并接收其反射回波，進(jìn)而探測(cè)小行星體積、運(yùn)行狀態(tài)等特征，并通過長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)、推演，進(jìn)一步判定小行星運(yùn)行軌道的具體特征。雷達(dá)觀測(cè)精度較高，可大幅度提高近地小行星的定軌精度，在較短觀測(cè)弧段內(nèi)就能得到近地小行星較精確的軌道，對(duì)于特別重要的探測(cè)范圍內(nèi)的目標(biāo)的高精度測(cè)距、形狀、大小特性的解譯極其重要。1993年Hudson等人建立了從延遲多普勒?qǐng)D像推演小行星形狀模型的方法，經(jīng)Magri等人完善后[36]，現(xiàn)已成為利用雷達(dá)探測(cè)手段建立小行星形狀模型的主要方法。通過雷達(dá)探測(cè)可以得到小行星的表面性質(zhì)，還可以對(duì)小行星做延遲多普勒成像觀測(cè)，進(jìn)而確定小行星大小、旋轉(zhuǎn)速度、表面硬度等信息。NASA計(jì)劃采用微波技術(shù)監(jiān)測(cè)小行星運(yùn)行規(guī)律，如對(duì)小行星2004 BL86的監(jiān)測(cè)，同時(shí)提出了對(duì)天體進(jìn)行雷達(dá)監(jiān)測(cè)的重要性，使用位于波多黎各的阿雷伯西射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)小行星進(jìn)行雷達(dá)監(jiān)測(cè)[36]；中國(guó)在貴州境內(nèi)建立了目前世界上口徑最大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡：500 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST），在天文觀測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮了非常重要的作用。通過長(zhǎng)期雷達(dá)觀測(cè)，結(jié)合光學(xué)觀測(cè)圖像，將能夠獲得更多小行星起源和形態(tài)的信息，對(duì)小行星預(yù)警以及對(duì)后期防御策略提供重要依據(jù)。但雷達(dá)觀測(cè)的作用距離有限，僅能觀測(cè)距離太陽(yáng)0.3 AU內(nèi)的小行星，并且需要提前知道小行星的方位，進(jìn)而導(dǎo)致雷達(dá)探測(cè)技術(shù)很難用于發(fā)現(xiàn)小行星，射電望遠(yuǎn)鏡等一般用于觀測(cè)電磁信號(hào)特征特別強(qiáng)的星體活動(dòng)。

2.3 小結(jié)

從上述觀測(cè)平臺(tái)比較分析來看，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外小行星觀測(cè)仍主要依靠地基光學(xué)觀測(cè)平臺(tái)，且在不斷完善地基觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，如拓展觀測(cè)系統(tǒng)波段、功能及加快全球組網(wǎng)布局等，然而地基觀測(cè)系統(tǒng)始終難以克服觀測(cè)距離、系統(tǒng)分辨率等主要指標(biāo)受大氣層的影響較為嚴(yán)重的難題，造成了觀測(cè)系統(tǒng)有效觀測(cè)時(shí)間短，只能在晴朗的夜空觀測(cè)，容易受到天氣、大氣、氣象等因素影響，一年有效觀測(cè)時(shí)間僅約1/5；且存在觀測(cè)盲區(qū)，無法觀測(cè)來自太陽(yáng)方向的小行星等不足。天基觀測(cè)平臺(tái)則可以最大限度地?cái)[脫大氣層的影響，且不受觀測(cè)站點(diǎn)固定的限制，使得觀測(cè)平臺(tái)可在目標(biāo)特征獲取和觀測(cè)覆蓋性等方面發(fā)揮較大優(yōu)勢(shì)，且連續(xù)觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，理論上可以7 × 24 h觀測(cè)，是未來一段時(shí)間內(nèi)各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的小行星觀測(cè)技術(shù)方向。相對(duì)于現(xiàn)階段比較常用的可見光觀測(cè)技術(shù)，紅外天文觀測(cè)具有紅外觀測(cè)對(duì)空間暗弱天體觀測(cè)能力更強(qiáng)、能夠獲得更加豐富的小行星光譜信息等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此紅外波段望遠(yuǎn)鏡是天基觀測(cè)系統(tǒng)的首選波段[36]。表2系統(tǒng)地比較分析了各類觀測(cè)平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與不足。

表2 幾種觀測(cè)系統(tǒng)的對(duì)比Table 2 Comparison of several kinds of observation systems

3 近地小行星空間紅外觀測(cè)技術(shù)分析

3.1 近地小行星空間紅外觀測(cè)方案分析

美國(guó)在2006年提出了近地天體望遠(yuǎn)鏡（NEOCam）計(jì)劃，利用紅外望遠(yuǎn)鏡對(duì)地球軌道附近的潛在威脅小天體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，目前該計(jì)劃已經(jīng)完成背景型號(hào)研究進(jìn)入工程立項(xiàng)階段，預(yù)計(jì)2025年將被發(fā)射到日地系統(tǒng)L1點(diǎn)軌道。NEOCam相機(jī)擬采用2 048 × 2 048面陣的中長(zhǎng)波紅外（3～5 μm 6～10 μm）探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)暗弱小天體的觀測(cè)；利用50 cm口徑望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)3.4° × 3.4°天區(qū)覆蓋[37]。該相機(jī)將力爭(zhēng)在5年內(nèi)探明2/3以上直徑大于140 m的潛在威脅小天體，10年內(nèi)完成90%以上（NEOCam 軌道及相機(jī)構(gòu)型參見圖4）。

美國(guó)民間組織也曾提出在類金星軌道部署“哨兵”計(jì)劃，載荷也是紅外望遠(yuǎn)鏡，同樣致力于對(duì)直徑140 m的小行星進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但該計(jì)劃已經(jīng)取消。我國(guó)錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提出了CROWN計(jì)劃，通過在類金星軌道設(shè)置6～8顆微小衛(wèi)星，開展對(duì)潛在威脅小天體的搜尋與光譜詳察[38]。

從相機(jī)運(yùn)行的軌道來看，日地L1點(diǎn)位于日地連線距地球約150萬km處，對(duì)來自太陽(yáng)方向的小行星具有一定的觀測(cè)能力，極大地彌補(bǔ)了地基觀測(cè)的盲區(qū)。而類金星軌道位于地球內(nèi)側(cè)，有利于發(fā)現(xiàn)位于地球軌道內(nèi)側(cè)的小行星，但類金星軌道的周期與地球相差較大，且大部分時(shí)間距離地球較遠(yuǎn)，造成當(dāng)小行星對(duì)地球產(chǎn)生威脅時(shí)，地球不一定在類金星軌道光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)內(nèi)。因此，從小行星有效預(yù)警的角度來看，日地L1點(diǎn)更適合開展近地小行星觀測(cè)預(yù)警工作。

圖4 NEOCam軌道及相機(jī)構(gòu)型[38]Fig. 4 The orbit and structure of NEOCam[38]

從相機(jī)的功能來看，中長(zhǎng)波紅外波段更有利于實(shí)現(xiàn)暗弱小天體的觀測(cè)，對(duì)發(fā)現(xiàn)潛在威脅小天體具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。短波紅外波段（尤其是1.5～3 μm）是獲取小天體中可能存在的水、有機(jī)物等物質(zhì)光譜信息的有效波段，對(duì)分析小天體組份將發(fā)揮重要作用，而天體組分分析是開展小天體危害評(píng)估的重要環(huán)節(jié)。此外，可見光波段在相同相機(jī)口徑下可實(shí)現(xiàn)的觀測(cè)星等顯著優(yōu)于紅外波段，從小行星探測(cè)與普查的角度來講，可見光是空間小行星觀測(cè)相機(jī)不可缺少的波段。

因此認(rèn)為：在日地L1點(diǎn)設(shè)置覆蓋可見–紅外波段的大視場(chǎng)小行星觀測(cè)相機(jī)不僅能夠有效開展小行星觀測(cè)與光譜分析，同時(shí)也能夠?qū)ξｋU(xiǎn)小行星的實(shí)施危害評(píng)估并進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。

3.2 近地小行星空間紅外觀測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

近地小行星空間觀測(cè)技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展階段，紅外天文觀測(cè)技術(shù)及空間紅外探測(cè)技術(shù)對(duì)小天體空間觀測(cè)技術(shù)發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用，促使小天體空間觀測(cè)技術(shù)發(fā)展向更大口徑、更多手段、天地一體等方向發(fā)展。

1）觀測(cè)系統(tǒng)光學(xué)口徑將逐步增大

光學(xué)系統(tǒng)的口徑是提升系統(tǒng)觀測(cè)星等（靈敏度）、決定系統(tǒng)小天體搜尋能力的核心指標(biāo)。各國(guó)相繼研制了不同類型的超大口徑光電儀器，如：JWST-6.5 m，這類超大口徑空間光學(xué)系統(tǒng)將顯著提升紅外天文觀測(cè)水平，并極有可能顛覆人類的認(rèn)知世界。各類其它空間光電儀器也逐步突破了大口徑、高靈敏度、高分辨率技術(shù)，如：應(yīng)用于敵對(duì)偵查的4 m碳化硅反射鏡等，顯著提升了系統(tǒng)的觀測(cè)能力。空間小行星觀測(cè)系統(tǒng)也必將通過更大口徑來實(shí)現(xiàn)對(duì)極暗弱危險(xiǎn)型小行星的探測(cè)與詳察。

2）多手段、多平臺(tái)協(xié)同提升整體觀測(cè)能力

單一手段很難滿足對(duì)多類型小行星的普查與篩選，可見光、紅外、雷達(dá)等手段均具有各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（參見表2）；單一平臺(tái)觀測(cè)范圍受限，不同軌道點(diǎn)、不同軌道區(qū)間對(duì)小行星的觀測(cè)均具有各自的優(yōu)勢(shì)，如：日地L1點(diǎn)有效觀測(cè)來自太陽(yáng)方向的小行星，類金星軌道更利于發(fā)現(xiàn)地球軌道內(nèi)側(cè)的小行星、空間站平臺(tái)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定開展多種探測(cè)試驗(yàn)等。多手段、多平臺(tái)協(xié)同工作將從整體上極大地提升小行星觀測(cè)效能。

3）天地一體、數(shù)據(jù)互聯(lián)趨勢(shì)更加顯著

地基望遠(yuǎn)鏡具有成熟度高，大口徑望遠(yuǎn)鏡建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)小、生命周期長(zhǎng)、易于全球布網(wǎng)等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但有效觀測(cè)時(shí)間短、存在觀測(cè)盲區(qū)、紅外光譜信息獲取能力有限，而天基觀測(cè)可以補(bǔ)充地基監(jiān)測(cè)盲區(qū)、開展精確定軌、開展光譜詳察等工作。因此，只有通過天地一體、數(shù)據(jù)互聯(lián)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能夠更加有效地開展小行星觀測(cè)預(yù)警工作。

4 危險(xiǎn)型近地小行星的防御策略

近地小行星觀測(cè)技術(shù)發(fā)展使得人類能夠更早地發(fā)現(xiàn)對(duì)地球安全構(gòu)成威脅的小行星，以便采取適當(dāng)措施降低、避免地球受到來自小行星的撞擊危害。各國(guó)研究人員針對(duì)小行星的防御提出了多種建設(shè)性方案，鑒于當(dāng)前世界空間科技發(fā)展水平，對(duì)于威脅地球的大型小行星和預(yù)警時(shí)間較短的小行星，最簡(jiǎn)單、最直接也是最有效的防御方案是使用核武器摧毀威脅性星體。然而，核爆炸及次生碎片對(duì)地球和人類將會(huì)造成新的威脅，因此，對(duì)于小行星的防御，研究非核爆方案顯得十分必要。非核方案?jìng)?cè)重于從不摧毀小行星的出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常的方案是將小行星偏轉(zhuǎn)出撞擊地球的軌道，而行星的軌道一般由其自身的質(zhì)量和運(yùn)行速度決定。在小行星表面安裝特定設(shè)備拋射行星表面物質(zhì)，在改變小行星質(zhì)量的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向作用力進(jìn)一步促進(jìn)行星軌道變化；而改變小行星運(yùn)行速度（包括方向和大小）的方案一般依據(jù)小行星的威脅預(yù)警時(shí)間，對(duì)于有較長(zhǎng)預(yù)警時(shí)間的小行星，可采用小作用力長(zhǎng)時(shí)間積累作用的方案，通過持續(xù)作用達(dá)到改變行星速度進(jìn)而改變其運(yùn)行軌道的目的，而對(duì)于預(yù)警時(shí)間較短的小行星，要求在短時(shí)間內(nèi)速度改變量較大，這就需要較大的作用力來達(dá)到相應(yīng)的速度改變量實(shí)現(xiàn)小行星的快速偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)小行星預(yù)警時(shí)間的不同可以將小行星防御策略分為短期快速防御和長(zhǎng)期緩慢防御。根據(jù)現(xiàn)階段技術(shù)特征，短期快速防御方案一般可采用：核攔截器、動(dòng)力沖擊器（航天器撞擊）策略；而長(zhǎng)期緩慢防御策略則可以采用如：太陽(yáng)能集熱器、低推力推進(jìn)、質(zhì)量驅(qū)動(dòng)器和引力拖拽等策略。各種防御策略方案詳見文獻(xiàn)[1～2]、[39]。目前，在所提出的各種防御技術(shù)方案中，除了動(dòng)力沖擊技術(shù)已在美國(guó)“深度撞擊”（Deep Impact）實(shí)驗(yàn)任務(wù)中得到驗(yàn)證外，其它多數(shù)技術(shù)處于概念和設(shè)想階段[1-2,40-42]。小行星的防御工作還有待提出更多較易操作、防御效果更好的方案，為人類面臨自然災(zāi)害時(shí)降低災(zāi)害威脅提供必要的應(yīng)對(duì)措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)小行星觀測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀的對(duì)比分析可看出，雖然我國(guó)小行星觀測(cè)工作也在逐步開展，但是與歐美國(guó)家相差較遠(yuǎn)。具體表現(xiàn)為：

1）觀測(cè)能力不足：地基光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)種類和站點(diǎn)部署遠(yuǎn)落后于歐美國(guó)家，小行星天基觀測(cè)系統(tǒng)仍處于論證階段，行星觀測(cè)團(tuán)隊(duì)力量不足，每年發(fā)現(xiàn)的小行星數(shù)目相對(duì)較少，對(duì)危險(xiǎn)小行星的持續(xù)觀測(cè)能力和預(yù)警能力亟待提升。

2）觀測(cè)技術(shù)水平不能滿足需求：目前國(guó)內(nèi)天文觀測(cè)基本依靠地基可見光觀測(cè)系統(tǒng)，受紅外探測(cè)器探測(cè)率的限制，國(guó)內(nèi)紅外天文觀測(cè)系統(tǒng)的研制工作仍處于初期階段，我國(guó)天基小行星觀測(cè)系統(tǒng)仍為空白。

3）信息處理和傳播效率不足：現(xiàn)階段我國(guó)有多家天文臺(tái)等專業(yè)天文研究機(jī)構(gòu)，諸多科研院所也在進(jìn)行小行星的觀測(cè)等研究，但現(xiàn)階段仍缺少負(fù)責(zé)收集、整理、發(fā)布相關(guān)信息的權(quán)威性組織，致使國(guó)內(nèi)小行星觀測(cè)研究領(lǐng)域存在信息比較零散、資源共享率較低、信息不對(duì)稱等諸多問題。

小行星觀測(cè)預(yù)警技術(shù)與國(guó)家安全緊密相連，為了能夠在小行星觀測(cè)領(lǐng)域取得長(zhǎng)足發(fā)展，有必要從多方面積極開展小行星觀測(cè)領(lǐng)域相關(guān)工作：

首先，應(yīng)積極發(fā)展我國(guó)小行星觀測(cè)平臺(tái)建設(shè)，針對(duì)性建設(shè)小行星觀測(cè)站點(diǎn)；建立常態(tài)化小行星觀測(cè)平臺(tái)，同時(shí)形成對(duì)特殊星體的持續(xù)跟蹤探測(cè)；完善小行星觀測(cè)預(yù)警技術(shù)人員培養(yǎng)機(jī)制，不斷壯大小行星觀測(cè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，在小行星觀測(cè)預(yù)警領(lǐng)域代表中國(guó)發(fā)聲。

其次，在建設(shè)行星地基可見光觀測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的同時(shí)，努力發(fā)展紅外天文觀測(cè)系統(tǒng)，提升我國(guó)紅外天文觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)水平，建設(shè)可見紅外協(xié)同觀測(cè)技術(shù)平臺(tái)；在我國(guó)航天技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過借鑒國(guó)際空間天文觀測(cè)技術(shù)，結(jié)合我國(guó)空間光學(xué)（可見–紅外）探測(cè)技術(shù)發(fā)展水平，積極發(fā)展我國(guó)天基（紅外）天文觀測(cè)系統(tǒng)（平臺(tái)），為進(jìn)一步探測(cè)發(fā)現(xiàn)小行星提供技術(shù)支撐；在我國(guó)先進(jìn)射電望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上，建立可見–紅外–微波一體化探測(cè)平臺(tái)。

在努力發(fā)展小行星觀測(cè)預(yù)警技術(shù)的同時(shí)應(yīng)著力建設(shè)信息收集和處理平臺(tái)，形成小行星觀測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備共享機(jī)制，建立小行星觀測(cè)數(shù)據(jù)權(quán)威發(fā)布機(jī)構(gòu)，同時(shí)積極吸收民間機(jī)構(gòu)和組織積極參與小行星觀測(cè)、預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，努力擴(kuò)大小行星觀測(cè)預(yù)警平臺(tái)建設(shè)的影響力。

歷史經(jīng)驗(yàn)和天文觀測(cè)數(shù)據(jù)表明小行星撞擊地球是必然事件，且造成的危害將是難以估量的，而探測(cè)預(yù)警小行星的主要目的之一就是保衛(wèi)地球免受小行星撞擊危害。通過地基和天基觀測(cè)手段相結(jié)合，光學(xué)和微波觀測(cè)相互補(bǔ)，積極推動(dòng)世界各國(guó)建立小行星觀測(cè)數(shù)據(jù)共享框架，進(jìn)一步推進(jìn)小行星觀測(cè)工作快速發(fā)展；并在現(xiàn)有技術(shù)條件下，積極探索威脅性小行星防御方案策略。共同防御小行星撞擊地球事件的發(fā)生是全人類共同面臨的威脅，積極發(fā)展壯大小行星研究隊(duì)伍，集思廣益，發(fā)散思維，提出更多可開發(fā)的防御方案，為保護(hù)人類賴以生存的地球做出積極的貢獻(xiàn)，同時(shí)也為人類發(fā)展航天事業(yè)，探索宇宙奧秘保駕護(hù)航。