撞向地球的石头

by Shea on 4月 11, 2009

Roberta Kwok 文 Shea 编译

当去年10月发现有一个颗小行星正迎头撞向地球的时候,科学家们便有了第一次从头到尾研究宇宙撞击事件的机会。

2008年10月6日午夜,美国亚利桑那州莱蒙山顶天文台,一个白点划过了理查德·科瓦尔斯基(Richard Kowalski)的计算机屏幕。在三年半的时间里,科瓦尔斯基已经在搜寻近地小行星的望远镜照片中看到了几百个这样的小亮点,这些近地小行星有可能会从地球附近擦过甚至是撞上地球。通常他会整夜跟踪这个天体,并且向小行星中心上报它的坐标。而小行星中心则会跟踪小行星和其他的小天体。当天边泛白的时候,他就会关闭望远镜,回到山下的宿舍睡觉。

但这一晚让科瓦尔斯基颇感疑惑的是小行星中心对他报告的反应。小行星中心的网站立刻公布了他的发现,但是当它想要添加更多的数据的时候,系统却失灵了。

小行星中心的主任蒂姆·斯帕尔(Tim Spahr)在第二天早上发现了原因。小行星中心的软件会自动计算轨道,但是这颗小行星却出乎寻常的靠近地球。“因此计算机向我求助,”斯帕尔说。他根据科瓦尔斯基的数据做了一些快速的计算,想搞清楚这颗现在被命名为2008 TC3的小行星的轨道。“当我手工做完计算的时候,我立刻发现它会撞上地球,”他说。


[图片说明]:圈内的即为科瓦尔斯基发现的2008 TC3。版权:Richard Kowalski,Ed Beshore/Catalina Sky Survey。

从2008 TC3的亮度来看它的直径只有几米,而如果它是一颗通常的岩质小行星的话,那么它在进入地球大气层之后就会瓦解。但是为了安全起见,斯帕尔必须按照守则行事。他用黑莓手机给美国宇航局(NASA)近地天体观测计划的主管林德利·约翰逊(Lindley Johnson)打了电话,这是一个只有在紧急情况下才用的号码。

“嗨,林德利。我是蒂姆,”斯帕尔说,“知道我为什么给你打电话吗?”

“我们要被撞了?”约翰逊回答道。

斯帕尔还给美国喷气推进实验室(JPL)的天文学家史蒂夫·切斯利(Steve Chesley)打了电话,他当时正在接孩子放学。切斯利赶紧回到办公室,用程序计算了小行星的轨道。“程序令人震惊地显示100%的撞击概率,”他说,“这是我一生中从未看到过的。”切斯利计算发现,这颗小行星会在不到13个小时以后,也就是在第二天世界时2点46分撞入地球大气层;撞击地点在苏丹的北部,当地时间是早晨5点46分。他把他的结果发给了NASA局长和小行星中心,后者向全世界的天文学家发出了一份电子报告。意大利的近地天体动态网站也确认了这一计算结果。

尽管每年都有几个类似2008 TC3这样的小天体撞击地球,但是科学家们从来没有在撞击前发现过它们。因此如果天文学家们可以足够快地调动全球资源的话,那么科瓦尔斯基的发现无疑为我们提供了一个实时研究小行星及其撞击的独特机会。

很快电子邮件和电话便开始在全球间穿梭,科学家们都在争相安排对来袭的小行星进行观测。美国桑迪亚国家实验室的物理学家马克·博斯劳向同事们写道:“今晚撞击!!!”,而且还有一个桑迪亚国家实验室的工程师专门负责监测美国政府卫星所获得的数据。

撞击倒计时

加拿大西安大略大学的天文学家彼得·布朗(Peter Brown)从JPL听到了消息,他连忙赶到了他在当地的天文台,启动望远镜开始跟踪这颗小行星。他说:“它看起来就是一个非常暗弱且快速移动的小亮点。”北爱尔兰贝尔法斯特女王大学的艾伦·菲茨西蒙斯(Alan Fitzsimmons)立刻给他的两个同事打电话,他们刚刚到达位于加那利群岛的威廉·赫歇尔望远镜并且按照日程安排要到第二天才能用望远镜。

“听着伙计们,这正在发生,就在今晚,”他告诉他的同事,他们打算向另一个天文学家借一个小时的观测时间。

一整天,观测结果不断地涌入小行星中心,每隔十几分钟就会公布新的数据和轨道计算结果。NASA也通知了其他的政府机构,包括国务院和国防部,并且在当天下午发布了一条新闻,说这一撞击可能会引发“一场天然的烟火表演”。大约在撞击之前1小时,这颗小行星便进入地球的影子,无法再被光学望远镜看到了。到此为止,来自全世界26个天文台的天文学家进行并且上报了570次观测,使得JPL把预报的碰撞时间定在了世界时2:45:28,误差15秒。

在倒计时的过程中,雅各布·凯珀(Jacob Kuiper)则显得焦躁不安。凯珀是一个在荷兰皇家气象研究所值夜班的航空气象学家,他看到了关于来袭小行星的电子邮件。他担心在人迹罕至的努比亚沙漠没有人会看到爆炸。

在还剩下不到45分钟的时候,凯珀意识到他可以通知法航荷航集团——他经常为他们提供天气预报——也许他们正好有飞机位于非洲的上空。大约10分钟后,正在从约翰內斯堡飞往阿姆斯特丹的法航荷航集团592航班的飞行员罗恩·德普尔特(Ron de Poorter)在驾驶舱收到了一条文字信息。这条信息给出了预报的小行星撞击地点的经纬度。德普尔特计算发现他距离那里大约1,400千米。不过,在预报的时间他和他的副驾驶还是调暗了仪表的指示灯,往东北方向望去。

远在飞机的上空,2008 TC3以大约每秒12,400米的速度撞入了顶层大气。撞击加热并且气化了它的外部岩石,在它的表面上也出现了裂缝。岩石和空气分子的撞击也产生了可以照亮下方沙漠的强光。计算发现,在2008 TC3进入地球大气不到20秒之后,它所承受的压力会触发一系列使之瓦解的爆炸,只留下一条高温尘埃余迹。

在驾驶舱里,德普尔特看见在地平线上方的黄红色闪光,就像是远处的炮火。这个闪光弄醒了苏丹铁路前哨站的一个站长。据事后科学家搜集的资料,在靠近埃及边境的一个小村子里,做完晨祷返回的人们目睹了一颗火流星增亮而后又变暗的过程。


[图片说明]:2008 TC3进入大气之后留下的余迹。版权:Mohamed Elhassan Abdelatif Mahir (Noub NGO), Dr. Muawia H. Shaddad (Univ. Khartoum),Dr. Peter Jenniskens (SETI Institute/NASA Ames)。

除此之外,电子眼也在监测。当2008 TC3位于地面上空65千米的时候,美国政府的卫星发现了它。不一会儿,欧洲的气象卫星也看到了它,包括两片尘埃云和火流星所发出的光。在肯尼亚通常用于监测核爆炸的一个微气压计阵列也探测到了来自它爆炸的低频声波,由此布朗事后计算出它大约相当于1-2千吨TNT的当量,差不多是广岛原子弹的十分之一。

跟踪火流星轨迹的美国卫星证明了JPL的预报是极为准确的,误差只有几千米和几秒。“我们从未有个如此坚实的证据来证明我们所有的部门都能有效的工作,”切斯利说。

但是对于美国地外文明探索研究所的天文学家彼得·詹尼斯肯斯(Peter Jenniskens)来说,仅有壮观的闪光是不够的。在小行星撞击之后的数周,研究流星雨的詹尼斯肯斯等待着是否有人发现陨石的消息。不过毫无音信。“有人必须要去做点什么,”他说。

2008年12月初詹尼斯肯斯飞到了苏丹,拜会了喀土穆大学的天文学家穆阿维亚·哈麦德·沙达德(Muawia Hamid Shaddad),后者已经从当地人那里获得了火流星余迹的照片。他们一起驾车从喀土穆向北到了边陲小镇瓦迪海法,询问村民火流星在空中爆炸的方位。这些目击者的报告使得詹尼斯肯斯确信这颗小行星在高空就瓦解了——与美国卫星的数据相符,而且在努比亚沙漠铁路前哨6号站西南方很有可能能找到它的残骸。

沙漠寻石

2008年12月6日,詹尼斯肯斯、沙达德和45名来自喀土穆大学的学生、员工一起前往撞击地点。所有成员以20米为间隔排成近1千米长的一条线,面对着一片沙海、沙丘、裸露的岩石以及干涸的河床寻找撞击的残骸。队伍的两侧则是两队汽车,后面则还跟着半岛电视台的摄制组。搜索队缓慢地向东推进,就像一把巨大的梳子划过沙漠。

在这一天行将结束的时候,一辆车靠近詹尼斯肯斯告诉他,一个学生可能发现了陨石。“我记得当时心想,‘噢,不,又来了’,”詹尼斯肯斯说,他已经处理了好几个假警报。不过,他还是上了车来到了那个学生那里。那个学生给詹尼斯肯斯看了一小块方形的碎片,大约1.5厘米长,外部有一个玻璃状的薄层。其表面有着陨石被融化又重新凝固所产生的壳层,而且这块石头的深黑色也说明它是刚从天上掉下来的。这是他们找到的第一块陨石,也是第一次找到来自太空中已知小行星的陨石。


[图片说明]:2008 TC3所产生的陨石。版权:P. Jenniskens。


第2天搜索队走了8千米,发现了5块陨石,都呈圆形、深黑色。第3天18千米的跋涉找到了直径近10厘米的陨石。几个星期之后,最近一次由72个学生和员工组成的搜索队到3月份任务结束的时候又发现了32块陨石。由此共找到了大约280块碎片,总重量大约几千克。

詹尼斯肯斯把一个样本寄给了NASA约翰逊空间中心的宇宙矿物学家迈克·佐兰斯基(Mike Zolensky)。在分析了样本之后佐兰斯基发现,陨石中含有类似糖晶体的大块碳以及玻璃状矿物颗粒。其他实验室的检验也证实了它是一块橄辉无球粒陨石,这是一种来自在太空中被融化的小行星的陨石。这些小行星中只有0.5%会撞入地球产生碎片。但是即便对于橄辉无球粒陨石来说2008 TC3的残骸也是非常特殊的。佐兰斯基说,它们具有不同寻常的大量孔眼。“很难想象多孔的物质能以固体的形式幸存下来,”他说。佐兰斯基认为,这些发现说明2008 TC3来自某颗较大的小行星的表面,因为如果它来自靠近中心的地方的话,这些孔会被压碎。他还认为未来对陨石化学的研究将揭示出其母小行星的历史。此外,新的发现最终还可能为行星的形成提供线索,因为小行星在它的历史中曾经被融化过,而这一过程年轻的行星应该也经历过。


[图片说明]:努比亚沙漠中发现陨石的地点(红色)。版权:NASA Ames/SETI/JPL。


2008 TC3给了天文学家一个罕见的机会来把天空中的一个小亮点和手中的陨石联系起来。“我们已经在地面上找到了许多陨石,还有很多在天上小行星,但唯独缺少这两者之间的直接联系,”NASA近地天体计划办公室主任唐·约曼斯(Don Yeomans)说。

詹尼斯肯斯和他的团队得出结论,这颗小行星属于F型小行星。这些小行星只能反射很少的光,科学家们因此无法确定它们的组成。新的证据“为我们打开了一扇巨大的窗户,”史密森学会的陨石馆长格伦·麦克弗森(Glenn MacPherson)说,他并没有参与对2008 TC3的研究。尽管并不是所有的F型小行星都是一样的,他说,但是数据显示至少其中的一部分含有和橄辉无球粒陨石相同的物质,例如碳和铁。

美国西南研究所的行星科学家克拉克·查普曼(Clark Chapman)说,F型小行星和橄辉无球粒陨石之间的联系并没有让他感到惊讶。但是,他补充说:“这是一条被证明的联系,而我们并没有多少类似的证据。”


[图片说明]:搜集到的2008 TC3陨石。版权:美国桑迪亚国家实验室。


科学家们正在尝试通过研究小行星在不同波段上的反光并且把这些反光和在实验室中陨石的反光相比较来搞清楚小行星的组成。但是这些联系通常是没有说服力的,除非反射的信号非常独特。最可靠的一个例子是灶神星,它已经和一组火成陨石之间建立起的联系。尽管NASA的探测器围绕爱神星工作了1年并在2001年降落到了其表面之上,但是目前还没有探测器把小行星的样本送回了地球。日本的隼鸟小行星探测器计划在2005年采集小行星糸川上的样本;当明年它返回地球的时候,科学家们就能知道它到底有没有成功了。

约曼斯说,如果我们想改变小行星轨道的话,那么知道他的组成是至关重要的。NASA正致力于提供几十年的撞击预报,如果有一颗小行星将撞上地球那么这一技术就可以避免碰撞的发生。约曼斯说,这一技术对于类似彗星、岩质以及镍-铁型不同的小行星会有所不同。

随着新的巡天的到来,科学家们将会发现更多撞向地球的天体。约曼斯说,现在的巡天发现了差不多90%直径1千米及以上的近地天体,但是较小的天体则很容易被忽略。科瓦尔斯基说,发现2008 TC3就像是在距离月亮1.5倍的距离上寻找一个穿深灰色衣服的人一样。科瓦尔斯基是卡特琳娜巡天的成员,这一计划每年发现的近地天体占了总数的70%。美国空间科学研究所的行星科学家艾伦·哈里斯(Alan Harris)说,下一代巡天的小天体发现率会有所上升,也许可以达到每年发现几颗地球束缚型小行星。今年位于美国夏威夷的全景巡天望远镜和快速反应系统(Pan-STARRS)的原型机将投入观测,到2016年位于智利的大口径全天巡视望远镜也将完全投入使用。

与此同时,科瓦尔斯基和他的同事们仍然在进行他们的工作。在发现2008 TC3之后的又一个晚上,科瓦尔斯基回到了莱蒙山,坐在望远镜的控制室里,加热着他的晚饭。当他的发现正在世界的另一边坠向沙漠的时候,科瓦尔斯基则正在搜寻另一片天空,等待着下一个小白点的出现。

[Nature 2009年03月26日]

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