槍林彈雨中的地球–談天體撞擊的危機
98/05/07
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陳文屏｜
中央大學物理學系暨天文物理研究所教授
張志玲｜
《科學發展》特約文字編輯（文字整理）
1994 年，太陽系裡的一顆彗星被木星軌道抓住後就一直繞著木星轉，軌道則不斷衰減。當木星引力大過彗星自己抓住自己的引力時，便把彗星拉成碎片。這些碎片有的繼續繞著木星轉，有的打到木星上，最大一個碎片打出的疤痕，有好幾個月的時間都出現在木星表面上。
發生這件大事後，人類才恍然大悟：「形成星球後遺留下的小行星在太空中到處跑，地球也在太空中跑，太空中處處槍林彈雨！」能證明這種現象的證據非常多，例如月球表面坑疤很多，少數是早年的火山，其他絕大多數是小行星打出來的隕石坑。小行星表面上都是洞，因為它打人家，也被別人打。就連體積是地球千倍大的木星，也被小行星打得傷痕累累。
小行星成為顯學
彗星撞木星後，原本冷門的小行星變成顯學。彗星、小行星都是小天體，只是彗星裡面的冰塊比較多，小行星裡面的岩石、金屬類化合物比較多。彗星裡面的冰塊就像石頭一樣是固體，若從遠方看岩石與冰塊，因為都會反光所以無法分辨，只有在彗星跑到接近太陽附近，受到陽光照耀，冰塊蒸發形成氣體，包在彗星外面，經由太陽風一吹變成尾巴後才能判斷。彗星每繞行太陽一次，外面的冰塊就去掉一層，繞很多趟以後外層就沒了。
人類想研究小行星的原因有兩個。一是小行星在 46 億年前和地球一起誕生，直到現在都沒有產生大變化。地球不一樣，它體積較大，有地表，有板塊運動，有地熱，有生命，有演化，地球現在的樣子已經不是剛出生時的模樣了。因此研究小行星等於研究 46 億年前地球剛誕生時的情形。
另一原因是小行星可能撞地球。這是人類文明生死存亡的大事，必須妥善因應。
撞擊事件一再發生
太空中的小天體掉進地球大氣層，我們稱它為流星。所有從太空中飛進來的小天體，經過大氣層摩擦生熱後，會因為釋放能量而發光。
彗星是一大堆碎石、冰塊，靠著萬有引力勉強把自己抓在一起，因此在太空運行時零零落落，碎塊也灑在軌道上。如果彗星剛過去，碎塊還沒有完全散開，地球又正巧通過這個區域，那幾個晚上掉進地球大氣層的東西就特別多，我們稱那種現象為流星雨，一年中大概有 10 ～ 12 次。再大一點像拳頭一樣大的東西掉到地球，經過大氣層仍會摩擦成為明亮的流星，而沒有摩擦完的掉到地球上稱為隕石，並在地表形成隕石坑。
小行星、流星、彗星、流星雨及隕石雖然有不同名稱，其實都是類似的小天體。小天體與地球相撞，首先與大氣接觸產生震波，同時發出明亮光芒，並在地面撞擊出隕石坑。例如美國亞利桑那州有個深度約 170 公尺，直徑約 1,200 公尺的大隕石坑，稱為巴林杰隕石坑（Barringer Meteor Crater），是約 5 萬年前由 1 顆直徑約 50 公尺的隕石撞擊造成的。
若是更大天體的撞擊，甚至可能造成極大規模的破壞，例如 6 千 5 百萬年前的天體撞擊，使得地球上包括恐龍在內的生物大量滅絕。在眾多小天體中，凡接近地球且其軌道會讓它和地球產生近距離接觸的，就是我們擔心的近地小天體（Near-Earth Objects, NEOS）。這些近地小天體有許多種類，比較危險的是體積大，軌道與地球軌道交錯，而且與地球最近距離小於 0.05 AU（astronomical unit，地球與太陽之間的平均距離是1天文單位，1 AU）的，我們稱它為「具潛在危險天體」（potentially hazardous objects, PHOs）。
挖空心思迎戰近地天體
布希總統在 2005 年簽署「搜查近地天體法案」，要求美國航太總署（NASA）在法案生效後 1 年內，提出「分析清點近地天體方法」、「建議方案和估計預算」及「近地天體改道方案」。NASA 當時設定的目標是：15 年內把直徑大於 140 公尺，近日點小於 1.3 AU 的近地天體偵測出來，看它們的軌道是什麼，並進行偵測、追蹤、建檔、述性，而且要達到 90％ 完整性。
這個工程相當艱鉅，因為小天體受到眾多天體的影響，軌道極不穩定，更何況它還有自己的動力。例如：彗星接近太陽被陽光照射後裡面變得很熱，內部噴發的氣流噴出後使得彗星倒退，就像火箭一樣會產生反作用的推動力量，因此它們的軌道很難估算。面對這些難題，美國航太總署想到的做法是：找到任何小天體都要跟蹤它，看它幾年內怎麼運動，再推測 100 萬年內它會怎麼動。這樣的做法依然相當艱難，因為在過程中有許多不確定的因素。
2006 年 3 月，美國航太總署向國會報告目前構想出來對付近地天體的方法。第１種方法是炸掉它，可使用傳統炸彈轟炸，不過這個方法沒有用，只能炸到表皮。或者使用核彈進行深層引爆，這個方法破壞效果可以大一些。或者用撞擊，這個方法最快，最好把近地天體撞離軌道。
小天體不大，如果推算 25 年後會撞到地球，就送出太空船去撞，但是該放多少炸藥？放在哪裡？罩門在哪裡？依然不知道！因為不知道彗星中間是什麼結構，而且誰去放？怎麼放？萬一炸成功，可能會像散彈槍一樣，對地球威脅更大！這是因為東西變小以後，截面積變大，殺傷力更強，若無法控制它怎麼分裂，說不定更危險。
第２種方法是把它融化掉，他們想出幾種做法。例如用陽光聚焦把彗星蒸發掉，由於蒸發產生的噴氣會有推力，再利用火箭原理把它推走。或者用雷射脈衝蒸發彗星表面的物質，讓它汽化，產生推力推走，這種方法的效果很慢。
第３種方法是讓彗星緩緩改變軌道。例如：朝向小行星發射火箭，令火箭黏住小行星，再用火箭噴氣把它推走，這是「愚公移山」的做法。每次只要推一點就好，如果時間夠久或許能推走，但在技術上非常困難，因為火箭噴氣必須推到重心才有「推動」效果，否則只會造成天體「打轉」而已。美國科學家正在研發這樣的技術，就算克服了這些問題，接下來還有一個更關鍵的問題就是：就算知道方法，需要多久備戰時間呢？
了解彗星結構與罩門
小天體中最令人擔心的是彗星。彗星大多具有非常狹長的橢圓軌道，多半時間距離太陽（與地球）很遙遠，一旦被發現，它已經在我們周圍，而且速度非常快。根據刻卜勒行星運動定律：距離太陽近的時候，速度比較快，離心力才足夠與星體的萬有引力保持平衡。相對的，在彗星離太陽遙遠時，速度就慢得多。換句話說，彗星接近太陽時是速度最快，殺傷力最強的時候，很多新彗星被發現後，大約半年後就到達太陽附近。果真如此，我們就只有 6 個月預警時間，根本來不及做任何防撞措施。
為了解彗星的結構和罩門，美國航太總署 2005 年 1 月發射的太空船在同年 7 月 4 日抵達譚普一號（Temple 1）彗星，隨即釋放 370 公斤子船「撞擊號」自行導引以時速 36,000 公里速度撞向彗星，預期產生深度達十幾公尺到幾十公尺的坑洞，以便研究彗星表面塵埃與氣體噴出的情形，據以推斷內部結構。母船「飛掠號」在撞擊後改變軌道，以 500 公里近距離觀察撞擊結果，並把訊息傳回地面。
未來幾年太空計畫中最刺激的任務應該就是探測小天體，例如登陸彗星表面，這個任務很艱難，因為彗星的萬有引力非常小，很不容易登陸，但是可在彗星表面鑽探來了解彗星結構。
我國參加的相關計畫
小天體撞擊事件隨時都在發生，現在美國、日本及歐洲的科學家都在尋找可能與地球相撞的小天體。我國參加兩項相關的國際計畫，一個是在臺灣運作的中美掩星計畫（Taiwan-America Occultation Survey, TAOS），一個是夏威夷大學主持的泛星計畫（Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System, Pan-STARRS）。位於海拔 2,862 公尺的鹿林山天文臺，是我國參與計畫的天文站。
當彗星距離遙遠時，彗核反射的陽光極微弱，即使世界上最大的望遠鏡也不易偵測到。因此偵測時不能靠「反射陽光」，要以「遮擋光線方式」進行。
中美掩星計畫就是利用太陽系中「小天體遮掩背景恆星技術」，統計「看不見」的小天體數量。其做法是一直不斷監測遠方恆星，倘若有小行星或彗星經過它的前面，會使得遠方恆星的亮度眨一下。利用這個「眨一下」原理，以「掩」過的恆星機率做統計推算小天體數量。這是我國與美國、韓國的合作計畫，極受國際矚目，從 2005 年起偵測至今已蒐集超過 10 億筆資料。
中美掩星計畫是目前世界上系統性清點太陽系外圍直徑 1 至 2 公里天體的唯一計畫，主要使用 4 具口徑 50 公分的望遠鏡，配備高速 CCD 攝影機，對視野內的恆星進行每秒 5 次的測光，用以監測由古柏帶天體（Kuiper Belt Objects, KBO）對背景恆星所造成的掩星事件。這個方法可以偵測到海王星軌道之外，大概 2 公里左右的小行星或彗核。
在過去 2 年的資料中，已經找到疑似掩星的訊號。當然，這個訊號的減弱有可能並非真正的掩星，而是某種儀器或天氣造成的巧合。但是因為 3 具望遠鏡都看到類似的現象，因此研判巧合的機率非常低。
參加美國夏威夷大學主導的泛星計畫的各國大學及研究單位則相當多，計有美國哈佛大學、約翰霍普金斯大學，德國與英國的大學，臺灣的中央、清華、臺大、成大等大學和中央研究院等單位。
這計畫利用口徑 180 公分的超廣角（7平方度）望遠鏡與革命性的 14 億畫素 CCD 數位相機，預計每 4 ~ 7 天巡天一次，把所有會變的，不管是位置會變（小行星、彗星等）或亮度會變（超新星、變星等）的現象都拍攝下來。預計拍攝 10 年，等於替宇宙拍攝一部 10 年電影。這是一個非常珍貴的資料庫，可產生大量極有價值的天文資料，對於「時變宇宙」研究具革命性貢獻。
眼光朝上偵測天敵
美國國家地理學會曾在 1950 年代出資拍攝全天空照片，他們認為：「認識我們所在之處，不僅止於地面，還包括太空。」這句話令大家對地理有了廣義認知。1960 年代，當時最新的紅外線軍事技術釋出未久，美國空軍就做了全天空的紅外線偵察。一方面做為軍事偵察人為紅外線來源（例如飛彈）的依據，另方面則清點有哪些天體發射紅外線輻射，這是紅外天文學的開端。美國空軍的眼光不只朝下偵察敵人，也朝上偵察來自太空的天敵，這種把領空從大氣層延伸到太空的概念，令人體認深刻。
總的來說，我們生存的地方是一個動態宇宙，大家撞來撞去，地球被撞是遲早的事。目前我們仍不知道下次大型撞擊何時發生，也不知道損害有多大，但是已經開始想辦法，人類文明應該比恐龍更有招架能力才對！
