行星撞地球 当科幻电影桥段照进现实行星撞地球 当科幻电影桥段照进现实
我们常用“火星撞地球”来形容冲突的激烈程度，但最近一则外媒报道却告诉我们，这个用来打比方的情况可并非虚言！就在上个月月初，美国国家航空航天局 (NASA)发布消息称，3月21日一颗体积相当于法国埃菲尔铁塔两倍的小行星2001 FO32将在距离地球约200万千米的地方安全飞掠；而21日当天，该小行星也的确如预期般以安全距离掠过我们这颗蓝色的星球。
但这还没完，据称还有大量小行星可能正在向地球冲撞过来，它们的直径从10米到200多米不等。如果这是真的，难道地球毁灭、世界末日就近在眼前了？行星撞地球这个科幻电影里才会有的情节，竟然是真的？
01
关于要撞地球的行星
请先了解一下
太阳系由太阳及在其引力作用下围绕它运转的天体构成，包括八大行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星、流星体及行星际物质。太阳系中的行星是指围绕太阳以椭圆轨道运行、并且有足够大的质量使其表面达到流体静力平衡（近于球形）的天体，这些行星轨道附近的物体已通过碰撞并合与散射过程被清除。
除了熟知的八大行星，太阳系中还有一些矮行星。它们同样围绕太阳运转，但其质量较小，不能够清除其轨道附近的其他物体。太阳系内的矮行星有：冥王星、谷神星、阋神星、鸟神星和妊神星。近年来，研究人员还根据一些柯依伯天体轨道运动特征，推测在太阳系中可能存在“第九大行星”，但尚无观测证实这一猜想。
图1.银河系与太阳系 Credit:Astronomy.com
如果我们的目光落在太阳系以外的更广袤的宇宙空间，就会了解到，银河系中有数千亿颗恒星，而太阳只是银河系猎户座旋臂上一颗中小质量的主序恒星。而在浩瀚的宇宙中，还存在无数星系团，银河系也只是沧海一粟。与太阳系类似，宇宙中很多恒星的周围也存在行星，这些太阳系以外的行星被称为系外行星。
目前已发现并确认的系外行星接近4700颗，这些系外行星大小各异、轨道构型多样，构成了多姿多彩的行星世界。
02
过去、现在和将来
行星的运行轨道并非永恒
德国天文学家提丢斯和波得提出了行星同太阳的平均距离的经验定律，即提丢斯—波得定则。该定则提出，取一数列：0，3，6，12，24，48，96，192……然后加上4，再除以10，就可以得到以天文单位(地球和太阳的平均距离为1个天文单位)表示的各个行星同太阳的近似平均距离。1781年，天文学家Herschel发现天王星差不多恰好处在定则所预言的位置上。提丢斯当时还预言，在火星和木星之间，距太阳2.8天文单位处应该还有一个行星。但是后续的观测发现，这片区域实际是呈带状分布的小行星世界，即主带小行星。
法国数学家、物理学家拉普拉斯认为，太阳系是完全稳定的。但是1994年，巴黎天文台的研究人员Jacques Laskar等人的工作第一次证明水星的轨道运动是不稳定的。他利用超级计算机进行的模拟结果显示，未来的30亿年到40亿年中，木星和水星之间微妙的引力摄动作用可能导致一个难以想象的后果——太阳系内部的行星离开现在的轨道位置，金星和水星最终可能猛烈地撞在一起。这项研究工作提醒我们，行星并非总处于永恒的、有规律的轨道。它们可能变得很不稳定，即便没有外界的影响，太阳系在未来的60亿年时间里也会变得杂乱无章。
图2.行星形成的核吸积碰撞过程 Credit:Rebecca Boyle,Nature,2018
太阳系的诞生和演化过程本身也充满了动荡，在行星形成和生长的阶段，太阳系中会发生剧烈的碰撞和散射过程。外太阳系的四颗巨行星也曾经发生过大幅度的轨道迁移，扰乱了内外太阳系中诸多小天体的运动，影响了内太阳系类地行星的演化，最终重塑了整个太阳系。
此外，月球表面的撞击坑也是太阳系形成后期“暴力事件”的见证。科学家们通过分析阿波罗任务带回的月球样品发现，月球在大约39亿年前似乎频繁遭受了各种小天体的撞击——这就是月球 历史 上著名的“晚期重度轰击”（Late Heavy Bombardment，LHB）事件。在太阳系形成晚期，这些天体碰撞事件非常普遍，今天我们可以看到内太阳系的水星或大行星的卫星也可能是共同“受害者”。
03
撞地球的高危分子真不少
还好威胁度高的几率没有特别大
在1998年上映的美国科幻灾难片《天地大冲撞》中，“毕德曼彗星”正朝着地球飞奔而来，彗星碎成了一大一小两部分，较小的那部分彗星撞向地球，引发山崩地裂，一片世界末日的景象；而跟随其后的大彗星给地球带来的毁灭程度，更是远远超乎了人们的想象。
2020年上映的好莱坞灾难大片《末日逃生》再次呈现了彗星撞向地球造成的重大灾难场景。由此可见，人们对于宇宙中天体撞击地球事件的忧患，警示人类需要居安思危，避免这些灾难的发生。目前，撞向地球的天体大多是太阳系内部的小天体，包括小行星和彗星。小行星离太阳由近及远可分为：近地小行星（NEOs）、主带小行星（MBAs）、特洛伊天体(Trojans)、半人马天体、柯伊伯带天体（KBOs）。目前已发现超过一百万颗小行星，其中近地小行星超过25000颗，主带小行星更是超过50万颗。
一般来说，与地球轨道距离小于0.3天文单位（4500万千米）的称为近地小行星，与地球的交会距离小于0.05天文单位（750万千米，约20倍地月距离）、且直径大于140米的被列为潜在威胁天体(PHO/PHA)。当小行星越过750万千米这条“警戒线”，它就有可能撞向地球。已发现的近地小行星中，有2000多颗可能对地球构成潜在威胁。
当今对地球威胁程度最高的是于2004年发现的近地小行星（99942）Apophis（阿波菲斯）。“阿波菲斯”将于2029年4月13日从地球身边飞掠，最近距离约为3.2万千米；之后，2036年还会再次降临，危险性极大。但撞击地球的几率也很低，远低于0.01%。
据统计，直径大于140米的小行星撞击事件约3万年发生一次；直径大于1千米的小行星撞击事件约100万年发生一次；直径大于5千米的小行星撞击地球的情况，大约3000万年发生一次；而直径大于6千米的小行星撞击地球这等规模的，上亿年才可能发生一次。
除了太阳系内小天体，近年来还出现了两位来自太阳系外的“星际访客”：“Oumuamua（1I/2017 U1）”和彗星2I/Borisov，其中1I/ʻOumuamua被发现时其与地球轨道距离约为0.2个天文单位（大约3000万千米）已达到近地小行星标准。未来也并不排除会有更多星际天体闯入我们太阳系，当然星际天体撞向地球的概率远小于太阳系内的近地小天体。
图3.太阳系小天体分布 Credit: NASA
04
对地球的撞击事件一直在进行中
探测能力越强 发现数目越大
当撞击地球的小行星直径达到15米，就可能造成严重的人员伤亡和财产损失，比如2013年2月15日的俄罗斯车里雅宾斯克陨石事件。该事件造成了约1200人受伤、近3000座建筑受损。
当小行星直径达到25米以上，可能发生空爆，爆炸能量相当于1兆吨TNT当量，并引发火流星事件，如1908年的通古斯爆炸事件（直径50米）、2015年泰国曼谷火星事件和2020年12月青海玉树的火流星事件。
当小行星直径超过140米就可能造成地区规模的破坏，引发地震和海啸等次生灾害。直径超过1千米的小行星撞击则可能造成全球灾变，对地球环境、人类和生物圈都会产生重大影响。如果小行星直径达到10千米，则会造成大规模物种灭绝，如6500万年前的恐龙灭绝。
根据全球陨坑统计，已撞击地球的小行星中直径为140米以上的约14000颗（已发现约5000颗），40米至140米之间的大约30万颗（发现约2600颗），直径40米以下的估计几百万颗。由于地球存在活跃的地质演化活动，更多的陨击坑在地球上已难寻踪迹。
图4.1988年4月至2021年3月全球火流星事件 Credit：JPL/Caltech
除了剧烈的撞击事件，彗星的喷发、分裂产生的尘埃颗粒与地球的“亲密接触”还可能带来壮观的天文现象——流星雨。当彗星穿过地球运行的轨道，大量的尘埃颗粒撞入大气层，形成流星雨。彗星的烧蚀产物成为水汽凝核，从而会影响气候和降水。彗星陨落也会给太阳系内行星表面带去水冰等挥发物质，这对于研究地球表面水的来源和生命起源也具有重要意义。
其实，小行星飞掠地球的事件几乎每天都会发生，这并不是因为经过我们的近地小行星变得越来越多了，而是现在的探测能力越来越强大。分布在世界各国的国际小行星预警网（IAWN）所属的众多望远镜都在紧盯着这些危险的目标，对它们进行严密的监视，地基望远镜包括美国夏威夷的Pan-STARSS, 智利北部的LSST和位于江苏盱眙的紫金山天文台近地天体望远镜等。
中科院紫金山天文台-陈向阳提供
近十年来，国际小行星深空探测任务也在如火如荼的开展，2012年我国“嫦娥二号”探测器成功飞越近地小行星图塔蒂斯(Toutatis)，2015年美国NASA“黎明号”(Dawn)完成对谷神星和灶神星这两个太阳系最大的原初行星胚胎的环绕探测；2020年，日本的“隼鸟2号”顺利完成对近地小行星龙宫(Ryugu)采样返回任务；NASA 的“冥王号”(OSIRIS-REx)航天器也完成了对近地小行星贝努(Bennu)的探测，即将携带样品返回地球。
作者 | 季江徽 中国科学院紫金山天文台研究员
审核 | 左 维 中国科学院国家天文台研究员
我们常用“火星撞地球”来形容冲突的激烈程度，但最近一则外媒报道却告诉我们，这个用来打比方的情况可并非虚言！就在上个月月初，美国国家航空航天局 (NASA)发布消息称，3月21日一颗体积相当于法国埃菲尔铁塔两倍的小行星2001 FO32将在距离地球约200万千米的地方安全飞掠；而21日当天，该小行星也的确如预期般以安全距离掠过我们这颗蓝色的星球。
但这还没完，据称还有大量小行星可能正在向地球冲撞过来，它们的直径从10米到200多米不等。如果这是真的，难道地球毁灭、世界末日就近在眼前了？行星撞地球这个科幻电影里才会有的情节，竟然是真的？
01
关于要撞地球的行星
请先了解一下
太阳系由太阳及在其引力作用下围绕它运转的天体构成，包括八大行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星、流星体及行星际物质。太阳系中的行星是指围绕太阳以椭圆轨道运行、并且有足够大的质量使其表面达到流体静力平衡（近于球形）的天体，这些行星轨道附近的物体已通过碰撞并合与散射过程被清除。
除了熟知的八大行星，太阳系中还有一些矮行星。它们同样围绕太阳运转，但其质量较小，不能够清除其轨道附近的其他物体。太阳系内的矮行星有：冥王星、谷神星、阋神星、鸟神星和妊神星。近年来，研究人员还根据一些柯依伯天体轨道运动特征，推测在太阳系中可能存在“第九大行星”，但尚无观测证实这一猜想。
图1.银河系与太阳系 Credit:Astronomy.com
如果我们的目光落在太阳系以外的更广袤的宇宙空间，就会了解到，银河系中有数千亿颗恒星，而太阳只是银河系猎户座旋臂上一颗中小质量的主序恒星。而在浩瀚的宇宙中，还存在无数星系团，银河系也只是沧海一粟。与太阳系类似，宇宙中很多恒星的周围也存在行星，这些太阳系以外的行星被称为系外行星。
目前已发现并确认的系外行星接近4700颗，这些系外行星大小各异、轨道构型多样，构成了多姿多彩的行星世界。
02
过去、现在和将来
行星的运行轨道并非永恒
德国天文学家提丢斯和波得提出了行星同太阳的平均距离的经验定律，即提丢斯—波得定则。该定则提出，取一数列：0，3，6，12，24，48，96，192……然后加上4，再除以10，就可以得到以天文单位(地球和太阳的平均距离为1个天文单位)表示的各个行星同太阳的近似平均距离。1781年，天文学家Herschel发现天王星差不多恰好处在定则所预言的位置上。提丢斯当时还预言，在火星和木星之间，距太阳2.8天文单位处应该还有一个行星。但是后续的观测发现，这片区域实际是呈带状分布的小行星世界，即主带小行星。
法国数学家、物理学家拉普拉斯认为，太阳系是完全稳定的。但是1994年，巴黎天文台的研究人员Jacques Laskar等人的工作第一次证明水星的轨道运动是不稳定的。他利用超级计算机进行的模拟结果显示，未来的30亿年到40亿年中，木星和水星之间微妙的引力摄动作用可能导致一个难以想象的后果——太阳系内部的行星离开现在的轨道位置，金星和水星最终可能猛烈地撞在一起。这项研究工作提醒我们，行星并非总处于永恒的、有规律的轨道。它们可能变得很不稳定，即便没有外界的影响，太阳系在未来的60亿年时间里也会变得杂乱无章。
图2.行星形成的核吸积碰撞过程 Credit:Rebecca Boyle,Nature,2018
太阳系的诞生和演化过程本身也充满了动荡，在行星形成和生长的阶段，太阳系中会发生剧烈的碰撞和散射过程。外太阳系的四颗巨行星也曾经发生过大幅度的轨道迁移，扰乱了内外太阳系中诸多小天体的运动，影响了内太阳系类地行星的演化，最终重塑了整个太阳系。
此外，月球表面的撞击坑也是太阳系形成后期“暴力事件”的见证。科学家们通过分析阿波罗任务带回的月球样品发现，月球在大约39亿年前似乎频繁遭受了各种小天体的撞击——这就是月球 历史 上著名的“晚期重度轰击”（Late Heavy Bombardment，LHB）事件。在太阳系形成晚期，这些天体碰撞事件非常普遍，今天我们可以看到内太阳系的水星或大行星的卫星也可能是共同“受害者”。
03
撞地球的高危分子真不少
还好威胁度高的几率没有特别大
在1998年上映的美国科幻灾难片《天地大冲撞》中，“毕德曼彗星”正朝着地球飞奔而来，彗星碎成了一大一小两部分，较小的那部分彗星撞向地球，引发山崩地裂，一片世界末日的景象；而跟随其后的大彗星给地球带来的毁灭程度，更是远远超乎了人们的想象。
2020年上映的好莱坞灾难大片《末日逃生》再次呈现了彗星撞向地球造成的重大灾难场景。由此可见，人们对于宇宙中天体撞击地球事件的忧患，警示人类需要居安思危，避免这些灾难的发生。目前，撞向地球的天体大多是太阳系内部的小天体，包括小行星和彗星。小行星离太阳由近及远可分为：近地小行星（NEOs）、主带小行星（MBAs）、特洛伊天体(Trojans)、半人马天体、柯伊伯带天体（KBOs）。目前已发现超过一百万颗小行星，其中近地小行星超过25000颗，主带小行星更是超过50万颗。
一般来说，与地球轨道距离小于0.3天文单位（4500万千米）的称为近地小行星，与地球的交会距离小于0.05天文单位（750万千米，约20倍地月距离）、且直径大于140米的被列为潜在威胁天体(PHO/PHA)。当小行星越过750万千米这条“警戒线”，它就有可能撞向地球。已发现的近地小行星中，有2000多颗可能对地球构成潜在威胁。
当今对地球威胁程度最高的是于2004年发现的近地小行星（99942）Apophis（阿波菲斯）。“阿波菲斯”将于2029年4月13日从地球身边飞掠，最近距离约为3.2万千米；之后，2036年还会再次降临，危险性极大。但撞击地球的几率也很低，远低于0.01%。
据统计，直径大于140米的小行星撞击事件约3万年发生一次；直径大于1千米的小行星撞击事件约100万年发生一次；直径大于5千米的小行星撞击地球的情况，大约3000万年发生一次；而直径大于6千米的小行星撞击地球这等规模的，上亿年才可能发生一次。
除了太阳系内小天体，近年来还出现了两位来自太阳系外的“星际访客”：“Oumuamua（1I/2017 U1）”和彗星2I/Borisov，其中1I/ʻOumuamua被发现时其与地球轨道距离约为0.2个天文单位（大约3000万千米）已达到近地小行星标准。未来也并不排除会有更多星际天体闯入我们太阳系，当然星际天体撞向地球的概率远小于太阳系内的近地小天体。
图3.太阳系小天体分布 Credit: NASA
04
对地球的撞击事件一直在进行中
探测能力越强 发现数目越大
当撞击地球的小行星直径达到15米，就可能造成严重的人员伤亡和财产损失，比如2013年2月15日的俄罗斯车里雅宾斯克陨石事件。该事件造成了约1200人受伤、近3000座建筑受损。
当小行星直径达到25米以上，可能发生空爆，爆炸能量相当于1兆吨TNT当量，并引发火流星事件，如1908年的通古斯爆炸事件（直径50米）、2015年泰国曼谷火星事件和2020年12月青海玉树的火流星事件。
当小行星直径超过140米就可能造成地区规模的破坏，引发地震和海啸等次生灾害。直径超过1千米的小行星撞击则可能造成全球灾变，对地球环境、人类和生物圈都会产生重大影响。如果小行星直径达到10千米，则会造成大规模物种灭绝，如6500万年前的恐龙灭绝。
根据全球陨坑统计，已撞击地球的小行星中直径为140米以上的约14000颗（已发现约5000颗），40米至140米之间的大约30万颗（发现约2600颗），直径40米以下的估计几百万颗。由于地球存在活跃的地质演化活动，更多的陨击坑在地球上已难寻踪迹。
图4.1988年4月至2021年3月全球火流星事件 Credit：JPL/Caltech
除了剧烈的撞击事件，彗星的喷发、分裂产生的尘埃颗粒与地球的“亲密接触”还可能带来壮观的天文现象——流星雨。当彗星穿过地球运行的轨道，大量的尘埃颗粒撞入大气层，形成流星雨。彗星的烧蚀产物成为水汽凝核，从而会影响气候和降水。彗星陨落也会给太阳系内行星表面带去水冰等挥发物质，这对于研究地球表面水的来源和生命起源也具有重要意义。
其实，小行星飞掠地球的事件几乎每天都会发生，这并不是因为经过我们的近地小行星变得越来越多了，而是现在的探测能力越来越强大。分布在世界各国的国际小行星预警网（IAWN）所属的众多望远镜都在紧盯着这些危险的目标，对它们进行严密的监视，地基望远镜包括美国夏威夷的Pan-STARSS, 智利北部的LSST和位于江苏盱眙的紫金山天文台近地天体望远镜等。
中科院紫金山天文台-陈向阳提供
近十年来，国际小行星深空探测任务也在如火如荼的开展，2012年我国“嫦娥二号”探测器成功飞越近地小行星图塔蒂斯(Toutatis)，2015年美国NASA“黎明号”(Dawn)完成对谷神星和灶神星这两个太阳系最大的原初行星胚胎的环绕探测；2020年，日本的“隼鸟2号”顺利完成对近地小行星龙宫(Ryugu)采样返回任务；NASA 的“冥王号”(OSIRIS-REx)航天器也完成了对近地小行星贝努(Bennu)的探测，即将携带样品返回地球。
作者 | 季江徽 中国科学院紫金山天文台研究员
审核 | 左 维 中国科学院国家天文台研究员
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