短期威脅小行星?

朱 進楊志濤 甘慶波 趙海斌 霍卓璽 姜曉軍

(1 北京天文館北京 100044)

(2 中國科學院國家天文臺北京 100101)

(3 國家航天局空間碎片監(jiān)測與應用中心北京 100101)

(4 中國科學院行星科學重點實驗室南京 210023)

(5 中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室北京 100094)

(6 中國科學院大學天文與空間科學學院北京 100049)

1 引言

由于小行星撞擊地球事件頻發(fā),并可能誘發(fā)巨大災難,科技共同體和國際社會將其作為影響人類社會和文明可持續(xù)發(fā)展的一個重大科學問題來積極應對[1].國際組織“國際小行星預警網(wǎng)” (IAWN)1http://iawn.net/about.shtml和“空間任務規(guī)劃建議組”(SMPAG)2https://www.cosmos.esa.int/web/smpag的成立則充分反映出國際社會的高度關注和重視.與此同時,我國對近地小行星撞擊威脅的重視程度亦在快速提升.近地小行星(NEA)3https://cneos.jpl.nasa.gov/about/neogroups.html是軌道近日點在1.3 au以內的太陽系小行星,其中與地球最近距離在0.05 au以內且絕對星等亮于22 mag (對應直徑約140 m)的近地小行星又稱為潛在威脅小行星(PHA).截至2021年1月10日,據(jù)小天體中心(MPC)公布數(shù)據(jù)4https://minorplanetcenter.net/mpc/summary顯示,已發(fā)現(xiàn)近地小行星24446顆,其中潛在威脅小行星有2176顆.根據(jù)美國國家航空航天局(NASA)公布的報告[2]估計,直徑在100 m以上的近地小行星目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)量只占理論預測數(shù)目1/3左右,100 m級小行星若撞擊地球便足以造成巨大危害[3–4].實際而言,并非所有的NEA或PHA均有撞擊地球的可能性,而就危害而言10 m級的小行星撞擊地球也可導致一定的損害,2013年車里雅賓斯克撞擊事件就是由一顆19 m左右的小行星引起的[5].直徑更小的小行星撞擊地球造成的物理危害有限,多是在大氣層空爆解體[3].為明確近地小行星撞擊監(jiān)測預警需重點考慮的范圍,我們提出“短期威脅小行星”(Short-term Hazardous Asteroid,SHA)的概念,并將其定義為:在未來100 yr內與地球存在撞擊風險且等效直徑大于10 m的近地小行星,此處“存在撞擊風險”是指撞擊概率大于零.

2 短期威脅小行星

短期威脅小行星概念的提出主要考慮以下3個因素:(1)預報期為100 yr.這是因為對近地小行星的監(jiān)測和軌道計算均會存在誤差且預報期越長誤差越大,同時人類監(jiān)測預警及防御應對的技術也會日益提高,因此預報期很長的撞擊風險無需重點關注;(2)存在一定的撞擊風險.是指近地小行星撞擊地球的風險不能排除,仍然有一定概率發(fā)生撞擊.這將只是近地小行星的一個較小子集;(3)等效直徑大于10 m.表示近地小行星撞擊地球后不會在大氣層中完全燒蝕,其空爆當量可能造成相當程度的潛在危害.這有別于PHA只考慮140 m以上可造成巨大危害的NEA.短期威脅小行星組成的集合是動態(tài)變化的,一是隨著探測到的近地小行星數(shù)量越來越多,同時發(fā)現(xiàn)有撞擊風險的目標亦會越來越多;二是隨著觀測數(shù)據(jù)的積累,編目軌道和撞擊概率的計算精度會逐漸提高,因此原有的威脅目標有可能解除風險,不再成為短期威脅小行星.

3 短期威脅小行星特點分析

近地小行星按照軌道大小分為如下4種類型[6]:(1)阿莫爾型(Amor):近日距在1.017–1.3 au之間且軌道半長軸大于1 au;(2)阿波羅型(Apollo):近日距小于1.017 au且半長軸大于1 au;(3)阿登型(Aten):半長軸小于1 au且遠日距大于0.983 au;(4)阿提拉型(Atira):遠日距小于0.983 au.其中阿波羅型和阿登型近地小行星的軌道會穿過地球軌道,而阿莫爾型和阿提拉型近地小行星的軌道分別在地球軌道之外和之內.因此,從軌道分布來看,由于短期威脅小行星與地球存在撞擊可能,其軌道類型基本只能是阿登型或阿波羅型.阿莫爾型或阿提拉型中僅軌道根數(shù)處于分類邊界附近的少數(shù)近地小行星,在攝動力作用下軌道可能逐漸變化至與地球軌道相交,進而成為短期威脅小行星.4類近地小行星和短期威脅小行星的半長軸a與偏心率e的可行域如圖1中所示,其中散點區(qū)域表示短期威脅小行星的可行域.

圖1 短期威脅小行星軌道分布可行域示意圖Fig.1 The a-e distribution of SHAs

基于近地天體研究中心(CNEOS)公布的數(shù)據(jù)5https://cneos.jpl.nasa.gov/sentry/進行分析,截至2020年1月10日已有短期威脅小行星756顆,其中等效直徑最小10 m,最大916 m (編號2014 MR26,撞擊概率2.5×10?8),對應的絕對星等分別約為28 mag和18 mag.

3.1 軌道分布

短期威脅小行星和已編目近地小行星的軌道分布情況如圖2所示,其中左圖是軌道半長軸的分布情況,右圖是軌道傾角i的分布情況.

圖2 SHA和NEA的軌道分布對比(左圖:軌道半長軸對比情況;右圖:軌道傾角對比情況)Fig.2 Comparison of orbital distribution of SHAs and NEAs (left panel:orbital semi-major axis;right panel:orbital inclination)

由圖2可見兩者的軌道分布并不一致,其中軌道傾角的差異最為明顯,短期威脅小行星中小傾角的比例很高,傾角在5°以內的比例超過60%,傾角在10°以內的占比超過85%,而在一般近地小行星中占比分別不足30%和60%.因此,對短期威脅小行星的搜索探測應更多集中在黃道面附近.

3.2 撞擊速率與撞擊概率

分析已發(fā)現(xiàn)的756顆SHA,其平均撞擊速率達17.1 km/s,標準差4.8 km/s,中位數(shù)為15.8 km/s.圖3展示了SHA撞擊速率(左圖)和撞擊概率(右圖,其中Cum代表累積)的分布情況.如圖3左圖所示,撞擊速率V在13–15 km/s區(qū)間的SHA最多,占比約25.8%,撞擊速率在19 km/s以內的占比約75%.

圖3 SHA撞擊速率(左圖)和撞擊概率(右圖)分布情況Fig.3 Distribution of impact velocity (left panel) and probability (right panel) of SHAs

此外,分析這些SHA的撞擊概率P,不同量級的分布情況如圖3右圖所示,撞擊概率在10?6量級的SHA最多,占比約30%,且撞擊概率不高于10?6的累積數(shù)量占比約75%.其中,撞擊概率最高在10?3量級,共有5個,基本信息如表1所列.

表1 撞擊概率最高的5個SHA的基本信息Table 1 Basic information of the 5 SHAs with the highest impact probability

3.3 尺寸分布及數(shù)量預測

圖4所示為不同區(qū)間累積SHA數(shù)量及其所占相同區(qū)間NEA數(shù)量的比例(記其為R1),以絕對星等H=20 mag的柱形為例,其上方標注的數(shù)值11表示絕對星等H <20 mag的SHA數(shù)量NSHA=11,對應縱軸的數(shù)值則表示NSHA占相同區(qū)間已編目NEA數(shù)量NNEA的比例,約為0.25%.

從圖4可看出,SHA的尺寸越小所占已編目NEA的比例越高,這主要是受監(jiān)測能力影響造成的選擇效應,因為小尺寸的NEA需要離地球足夠近時才可被探測到并編目.同時,尺寸越大的NEA對應的選擇效應越弱.此外,Stokes等[7]預測了不同尺寸近地天體的總數(shù)量(Total),將Stokes的估計量與已編目NEA數(shù)量進行對比,并計算已編目數(shù)量占模型預測總數(shù)量的比例(記為R2),結果如圖5所示.

圖4 SHA相對于已編目NEA的數(shù)量占比分布Fig.4 Distribution of SHAs relative to the cataloged NEAs

圖5 NEA預測數(shù)量、已編目數(shù)量及完成比例Fig.5 Predicted and catalogued numbers of NEAs,and the completion ratio

由圖可見,假定已基本無需考慮其選擇效應,對于H在20 mag以下(對應直徑約350 m)的NEA,已編目比例均超過80%.此外,據(jù)NEA數(shù)量分布模型的研究,近地小行星軌道與尺寸的分布相互獨立,而一顆NEA是否成為SHA主要取決于軌道參數(shù).因此,作為初步估計,選取H <20 mag對應的比例0.25%作為一般NEA中SHA所占的比例,由此預測不同尺寸SHA的累積數(shù)量分布,作為預測數(shù)量的下限,記為TotalLow.同時,對于更小尺寸的SHA,若不考慮選擇效應,即認為目前已發(fā)現(xiàn)的各區(qū)間數(shù)目的比例可代表SHA在總體NEA中的比例,并由相應比例預測數(shù)量上限,記為TotalUp.如圖6所示為SHA已發(fā)現(xiàn)數(shù)量和預測數(shù)量的對比情況.其中預測數(shù)量的誤差比例為0.5–2,與Stokes等[7]預測的NEA數(shù)量誤差基本保持一致.其中典型尺寸SHA累積已發(fā)現(xiàn)數(shù)量NSHA、預測數(shù)量NTotal和已發(fā)現(xiàn)比例如表2所列.預計直徑D在10 m以上SHA的數(shù)量可達到近十萬至百萬之多,直徑50 m以上SHA的數(shù)量在575–1628之間.此處預測模型的誤差因子在2倍左右.

圖6 SHA預測數(shù)量和已發(fā)現(xiàn)數(shù)量Fig.6 Predicted and discovered quantities of SHAs

表2 典型尺寸SHA的已發(fā)現(xiàn)數(shù)量和預測數(shù)量Table 2 Discovered and predicted quantities of typical size SHAs

4 總結與建議

鑒于實際存在的近地小行星數(shù)量巨大,且并非所有近地小行星均會對地球構成撞擊威脅,與此同時,潛在威脅小行星只包含直徑140 m以上的近地小行星,并且同樣不是所有目標均會對地球構成撞擊威脅,因此本文提出“短期威脅小行星”的概念,明確界定出監(jiān)測預警近地小行星撞擊威脅所要考慮的集合邊界,并基于現(xiàn)有短期威脅小行星數(shù)據(jù)和近地小行星數(shù)量模型建立了短期威脅小行星的數(shù)量估計模型.研究顯示,短期威脅小行星數(shù)量可達到十萬到百萬之巨,且軌道半長軸更集中于1 au、軌道面更集中于黃道面.短期威脅小行星軌道分布的研究對制定近地小行星搜巡監(jiān)測策略有重要意義.

本文工作僅是相關研究的初步探索,為有效支撐我國在近地小行星監(jiān)測預警領域研究工作的深入開展,建議在以下幾方面開展深入研究:

(1)對短期威脅小行星的軌道分布及尺寸分布建模,提升對危險目標整體分布情況的認知,對天地基監(jiān)測網(wǎng)的規(guī)劃以及近地小行星搜巡策略的制定提供參考;

(2)進行短期威脅小行星的精密軌道確定及撞擊風險評估算法的研究,提升對撞擊威脅目標的準確判識和威脅預警能力;

(3)進行短期威脅小行星物理特性的探測及計算方法研究,提升對近地小行星撞擊危害的評估準確性,這同時也是制定撞擊危害減緩策略的關鍵要素.

致謝感謝審稿人對文章提出的寶貴建議,使文章質量有了顯著提高.感謝MPC及CNEOS公布的近地小行星數(shù)據(jù),為本文分析工作提供了數(shù)據(jù)基礎.