□　文　柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

車?yán)镅刨e斯克隕石撞擊事件——三年后回首

□文柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

2013年2月15日一顆隕石從天而降，落在俄羅斯車?yán)镅刨e斯克州，導(dǎo)致多人受傷。（圖片來源：APOD）

柯文采（Thijs Kouwenhoven）

車?yán)镅刨e斯克城市上空的爆炸

2013年2月15日早晨，天空中巨大的爆炸驚醒了熟睡中的俄羅斯城市車?yán)镅刨e斯克。先是一道明亮的閃光，咆哮的轟鳴聲隨之而來，沖擊波震碎了數(shù)百座房屋的窗戶。這一切毫無預(yù)兆地發(fā)生，沒有一個(gè)市民，沒有一個(gè)天文學(xué)家——甚至美國宇航局（NASA）的天文學(xué)家——知道這顆隕石會(huì)在那一天沖入大氣層。一開始，很多市民還以為遇到了飛機(jī)失事或是軍事攻擊。不久人們明白了，這是一顆來自宇宙空間的天體撞到了地球上。這不過是一次隕石墜落的事件，但是這次的隕石非常大。

自通古斯事件以來最大的隕石沖撞

目前有記錄的隕石撞擊地球事件，最大的一次發(fā)生在1908年6月30日，位于俄羅斯通古斯河上空。隕石在空中大約距地面5到10千米的地方爆炸。現(xiàn)在認(rèn)為，這次撞擊地球的小天體直徑約為100米，不過要得出精確的尺寸，還要知道它的具體化學(xué)組成。之后的調(diào)查表明，這次爆炸將2150平方千米土地上的8000萬棵樹木夷為平地。由此可知，爆炸的威力相當(dāng)于廣島原子彈的1000倍，由其產(chǎn)生的沖擊波產(chǎn)生了里氏5級(jí)的地震。

鑒于通古斯撞擊事件的威力，天文學(xué)家擔(dān)心這樣的事件會(huì)再次發(fā)生。幸好，目前還沒有出現(xiàn)，不過，人們還是觀測到了很多次較小的隕石撞擊事件。自通古斯事件以來的107年里，規(guī)模最大的一次就要數(shù)2013年2月15日在車?yán)镅刨e斯克的這次了。俄羅斯看起來似乎是個(gè)不幸的國家，總是遭受隕石的襲擊，不過其實(shí)這完全是出于統(tǒng)計(jì)的原因：俄羅斯比澳門遭受的隕石沖撞次數(shù)要多，只不過是因?yàn)樗劝拈T大得多。

重建當(dāng)天發(fā)生的事件

自隕石墜落以來，時(shí)間已經(jīng)過去了三年。已有數(shù)百名科學(xué)家對(duì)各種可供使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究。其中包括對(duì)有關(guān)該事件的960份視頻記錄的分析。它們大多是由安全監(jiān)控?cái)z像頭、行車記錄儀、交通監(jiān)視儀和智能手機(jī)拍攝的。仔細(xì)地分析這些視頻，就有可能重建隕石墜落的軌跡和速度，并對(duì)它墜入大氣層之前在宇宙空間中的軌道的具體參數(shù)做出一個(gè)大致的估計(jì)。

通過比較多地觀測到的隕石墜落軌跡，天文學(xué)家得出結(jié)論：這顆隕石在距地面20千米的高空發(fā)生了爆炸。爆炸釋放出的能量超過30顆廣島原子彈。隨之而來的沖擊波毀壞建筑，并導(dǎo)致其中一部分倒塌。但更重要的是，沖擊波吹開了城市中幾乎所有房屋的窗戶，超過1000塊玻璃被完全摧毀，十幾萬戶人家因此暴露在了俄羅斯寒冷的冬天中。

車?yán)镅刨e斯克撞擊事件使1500人住進(jìn)了醫(yī)院。他們幾乎都是被震碎的玻璃所傷。還有一些人則是傷于倒塌的辦公樓、學(xué)校和工廠。在撞擊發(fā)生當(dāng)天，當(dāng)爆炸的沖擊波摧毀了超過十萬戶人家的窗戶時(shí)，室外溫度只有零下15攝氏度。圖片來源：dailymail.co.uk

車?yán)镅刨e斯克撞擊事件發(fā)生之后，科學(xué)家立刻開始搜尋此次撞擊產(chǎn)生的隕石。由于爆炸發(fā)生在距地面幾十千米的空中，大大小小的隕石散落在數(shù)十平方千米的土地上。其中最大的一塊沉在市郊一口湖的湖底。撞擊當(dāng)天，人們發(fā)現(xiàn)湖面上出現(xiàn)了一個(gè)巨大的冰窟窿；幾個(gè)月后，從湖底吊起了一塊重達(dá)654千克的隕石。圖片來源：dailymail.co.uk

我們?yōu)槭裁礇]看見它飛過來？

我們的太陽系中有數(shù)百萬顆小行星，其中有很多會(huì)定期地接近地球的軌道。多年以來，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多與地球軌道相交的軌道，但這項(xiàng)搜索現(xiàn)在仍然不完全。具體來說，就是很多比較小的近地天體還沒有被觀測到。每時(shí)每刻，這些小天體中都有成員在接近地球，而有的時(shí)候，它們足夠大，人們能夠在離地球太近之前發(fā)現(xiàn)它們。但是，要探測到那些從太陽方向飛來的小行星，卻是極其困難的。2013年2月15日的情況正是如此。在這個(gè)小天體沖擊地球的外層大氣之前，沒有人看到它。車?yán)镅刨e斯克隕石在日出之際從東方飛來。換句話說，它來自太陽的方向，而沒人料到會(huì)如此。

用計(jì)算機(jī)模擬揭開隕石生前的秘密

2013年2月15日墜落在車?yán)镅刨e斯克附近的這個(gè)天體究竟來自何方，我們對(duì)此有多少了解？

就直接測量的角度講，我們知之甚少。撞擊的地點(diǎn)和時(shí)間是非常精確地測定了的。隕石作為流星在大氣層中劃過的軌跡可以從視頻的記錄中推算出來。但是我們沒法測出更多了。像“這顆小行星撞擊地球之前的軌道是什么樣的”這樣的問題，通過直接測量得不到答案。而這個(gè)問題卻又極為重要，因?yàn)橥愋偷男⌒行菚?huì)沿著同樣的軌道運(yùn)行，因此當(dāng)然也有可能在未來再次襲擊地球。要解決這個(gè)問題，使用計(jì)算機(jī)模擬是非常方便的。

來自西班牙和英國的天文學(xué)家用計(jì)算機(jī)模擬了數(shù)百萬顆假想的小行星在我們太陽系中運(yùn)行的軌道。他們對(duì)其中每一顆進(jìn)行推算，判斷它是否會(huì)與地球相撞，如果相撞，那么撞擊將發(fā)生在何時(shí)、何地。在所有可能的小行星軌道中，有一條得出了完美的結(jié)果：圖中的紅線標(biāo)出了它的軌跡在地表的投影，綠色的區(qū)域則是軌道與它十分相近的小行星可能襲擊的地區(qū)。圖片來源：The Astrophysical J ournal, 2015, 812, 26

兩位來自西班牙的天文學(xué)家，卡洛斯·德·拉·福恩特·馬爾克斯（Carlos de la Fuente Marcos）和勞爾·德·拉·福恩特·馬爾克斯（Raul de la Fuente Marcos）兄弟倆決心解決這一難題。他們聯(lián)系了英國劍橋大學(xué)的世界級(jí)引力模擬專家斯威爾·阿爾塞斯（Sverre Aarseth），并與他一同進(jìn)行了一項(xiàng)相當(dāng)細(xì)致的工作。簡單地說，他們逆溯時(shí)間，把行星和它們的衛(wèi)星都放回到2013年1月1日時(shí)的位置，然后，他們隨機(jī)地在地球附近的不同位置、以不同速度放置數(shù)百萬顆小行星。然后，他們對(duì)這數(shù)百萬顆小行星分別進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，跟蹤行星、衛(wèi)星和小行星的軌跡。他們以極高的精度進(jìn)行了這項(xiàng)模擬，以找出其中的哪一個(gè)，在什么時(shí)候、什么地方會(huì)撞擊地球。將這些模擬數(shù)據(jù)跟車?yán)镅刨e斯克真實(shí)的流星軌跡作比較，他們發(fā)現(xiàn)，只有很少幾個(gè)軌道上的小行星有可能引起這次（超級(jí)）流星事件。

在這幾百萬條軌道中，有一條最終脫穎而出：它與觀測結(jié)果最為符合。這是一個(gè)半長徑1.6247天文單位、偏心率0.5318的橢圓軌道（圓軌道偏心率為0，拋物線軌道偏心率為1，偏心率越高，橢圓就越扁），其軌道平面的傾斜角度和方向剛好使得它在每個(gè)周期與地球軌道相交一次。顯然，地球和這顆小行星已經(jīng)擦肩而過好多次，但終于還是在2013年相撞了。

這樣的事件什么時(shí)候會(huì)再一次發(fā)生？

像車?yán)镅刨e斯克隕石這樣，甚至規(guī)模還要更大的沖擊，毫無疑問在未來還會(huì)發(fā)生。不幸的是，目前我們還沒法預(yù)測到底是在什么時(shí)候。因此，我們有必要提出以下幾個(gè)問題：(1)這樣的事件平均多長時(shí)間發(fā)生一次；(2)我們能否改進(jìn)方法，以預(yù)測它們何時(shí)來臨；(3)與通古斯事件規(guī)模相仿的沖擊會(huì)帶來怎樣的損失；(4)借助目前所能及的現(xiàn)代科技，我們能否防范此類事件再次發(fā)生？盡管就其中的每一個(gè)問題，我都可以寫滿整整一期雜志的篇幅，但現(xiàn)在我們還是來簡明扼要地思考一下它們。

沖擊的頻率可通過統(tǒng)計(jì)流星的亮度分布、研究歷史紀(jì)錄以及統(tǒng)計(jì)地球和月亮上的隕石坑來估算。雖然還有很多不確定性，但目前已有的數(shù)據(jù)表明，如下圖所示，小行星撞擊地球的頻率與它們的直徑之間存在指數(shù)型的關(guān)系。車?yán)镅刨e斯克級(jí)的沖撞看來是百年一遇的。好在，它們當(dāng)中的大部分應(yīng)該都落到大海里去了。人們更關(guān)心的是更大的沖撞，雖然它們也許只是500到1000年才一遇——比如通古斯事件。目前我們還沒有找到更早的撞擊事件的記錄?？紤]到地球表面大部分是海洋，更早的撞擊事件也許在古籍中僅僅留下了一場大海嘯的記錄。

流星撞擊事件有多頻繁？它們時(shí)刻都在發(fā)生！好在，其中的大部分只是微隕石，或是普通的“流星”。大規(guī)模的撞擊非常罕見。通古斯量級(jí)的撞擊也許要幾百年才出現(xiàn)一次，而車?yán)镅刨e斯克量級(jí)的每個(gè)世紀(jì)可能出現(xiàn)不止一次。不過要明白，這只是統(tǒng)計(jì)上的頻度。下一次車?yán)镅刨e斯克量級(jí)的流星也許要下個(gè)世紀(jì)才會(huì)出現(xiàn)，但也許就在明天！圖片來源：Philosophical Transactions of the Royal Society A, DOI: 10.1098/rsta.2006.1804

盡管現(xiàn)在——像一百年前一樣——幾乎還沒法對(duì)撞擊事件做出預(yù)測，人們卻已經(jīng)可以做出好得多的估計(jì)。在很多國家，天文學(xué)家、宇航機(jī)構(gòu)和軍事部門以危險(xiǎn)的小行星（即有可能在某一天襲擊地球的小行星）為目標(biāo)進(jìn)行了巡天的工作。迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過13000條與地球相交的危險(xiǎn)軌道，其上的小行星直徑從1米到32千米不等，約有1000顆超過了1千米。比較大個(gè)的小行星基本上都被探測到了，但我們對(duì)那些小個(gè)頭的目標(biāo)仍然知之甚少——即使是它們，也足以從地球上抹去一整座城市。因此，繼續(xù)巡天工作是有必要的。

可是知道了某顆小行星要襲擊地球，我們又能做什么呢？假設(shè)我們現(xiàn)在知道，一星期以后將有一顆通古斯規(guī)模的小行星會(huì)撞擊地球，我們?nèi)绾沃浦顾恳晕覀兊募夹g(shù)水平，最多也就是用核彈把它從原來的軌道上推開?？墒?，甚至好萊塢導(dǎo)演都知道，這樣做效果并不大。不過，知道未來一周之內(nèi)將要發(fā)生撞擊，這本身就足以挽救幾百萬人的生命。首先，可以疏散沿海的居民以減少海嘯帶來的傷亡和損失。其次，這可以避免相互敵對(duì)的鄰國誤以為對(duì)方對(duì)其進(jìn)行了核打擊，而引發(fā)災(zāi)難性的核大戰(zhàn)……

2013年2月15日早晨，一名司機(jī)正在路上開車。這時(shí)，他忽然看到天空中發(fā)生了極為明亮爆炸。如果對(duì)天文學(xué)不是很了解，你會(huì)怎么想、怎么做呢？圖片來源：google

所謂“近地小行星”，是指那些會(huì)對(duì)人類社會(huì)造成沖擊的小行星。超大規(guī)模的小行星撞擊非常罕見，平均要超過十億年才出現(xiàn)一次。一旦出現(xiàn)，地球上絕大部分的物種將會(huì)滅絕。另一方面，地球每時(shí)每刻都在受到細(xì)小的微隕石的撞擊。雖然它們對(duì)人造衛(wèi)星和宇航員來說相當(dāng)危險(xiǎn)，但對(duì)于地面上的我們來說，它們不會(huì)造成任何傷害。

如此看來，車?yán)镅刨e斯克級(jí)的隕石，在某種程度上，可以說是對(duì)我們的個(gè)人生活最有威脅的。這種規(guī)模的隕石每個(gè)世紀(jì)都會(huì)出現(xiàn)，而一旦不幸落到錯(cuò)誤的地方，它的危害就會(huì)相當(dāng)大。目前，我們?nèi)詿o法對(duì)危險(xiǎn)的小行星做出有效的預(yù)警，我們能做的只是根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)猜測。我期待著，在未來的10到20年里，近地小行星巡天能夠?qū)⒋蟛糠治ｋU(xiǎn)小行星置于監(jiān)視之下，只有那樣，我們才能對(duì)未來幾年之內(nèi)何時(shí)、何地將要發(fā)生撞擊事件做出真正的預(yù)警。

火流星是極為明亮的、在大氣中發(fā)生爆炸的流星。火流星通常比滿月還要亮，甚至在白天都能看到。這張世界地圖上標(biāo)記了1994年到2013年十年之間發(fā)生的火流星事件?；鹆餍腔旧鲜请S機(jī)分布在世界各地的，在時(shí)間上，也傾向于平均出現(xiàn)在各個(gè)時(shí)段。不過，由于地球表面大部分是海洋、冰蓋、沙漠、山脈和雨林，很多火流星并沒有被拍攝下來，甚至根本沒有人注意到。不過，出于另外一些目的，世界上有很多軍事組織對(duì)大氣層中發(fā)生的快速高能事件進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)視，因此我們能夠得到這樣一張完整的火流星分布全圖。圖片來源：NASA