流星和小行星的撞击

流星、流星体和陨星：流星和小行星的撞击

2000年12月4日，大约下午5点时，有什么东西从天上掉下来，落到了阿尤布夫妇（David and Donna Ayoub）位于新罕布什尔州索尔兹伯里的家中后院里。目击者说，这个物体飞快移动并且发出炽热的光。当落到地上时，它在距离阿尤布夫妇房子两米之外的地方点着了两小团火。夫妇二人很快跑出去把火灭了。

事件当然引来了这个城市的关注。最初，它只是当地报纸《康科德箴言报》（Concord Monitor）新闻版面的一个小报道。不过，这个报道迅速出现在发送给对小行星、流星以及彗星撞击感兴趣的天文学家的电子邮件列表中。很快，阿尤布夫妇便接到了电话并且迎来了世界各地的新闻媒体。每个人都想知道他们看到了什么，而大多数人则想当然地认为这只是一次陨星撞击。

当在次日听到这个报道时，我对此表示怀疑。我决定亲自去考察一下，于是拨通了几位目击者的电话。这些人都很真诚，而且的确很想知道发生了什么。在听过他们的描述之后，我相信的确有什么东西从天而降并且点着了两团火。但我认为，无论它是什么都好，但不是陨星。

为什么我认为它不是陨星呢？好吧，其实那是一个蹩脚天文学的故事。

***

我总是为小流星感到惋惜。

一颗特定的流星体可以在绕太阳的轨道上度过数十亿年，最初它可能只是一颗壮观的彗星或一颗小行星的一部分。最后，在环绕太阳运行无数次之后，它的路径与地球相交了。它以高达每秒100千米（60英里）的速度向地球靠近。在接触到我们的大气层时，巨大的速度就会转化为热量，除非流星体太大（比如，比一个面包盒子大），否则热量就会将这个小石块蒸发掉。

从我们在地球表面的特定点看去，流星体划过一道明亮的轨迹，被人看到或悄然而过。在经过了数十亿年之后，那个小石块的一生在几秒钟之内结束了，而且甚至可能没人看到过它。

但它的故事并非到此为止。当我被要求开列蹩脚天文学最常见的例子时，我几乎总是回答说流星。几乎每个人都看到过流星在天空中一闪而过，但具有讽刺意味的是，大多数人根本就不了解它。

更糟糕的是，甚至这种现象的命名也是一团混乱。有人称它们是“shooting star”（流星），但它们显然不是真正的恒星。在“日常用语中的蹩脚天文学”一章中，我仔细考察了描述这个小石块不同阶段的三个名字：在太空中以及穿过我们的大气层时的固态阶段都被称作流星体（meteoroid），流星体穿过大气层时发出的炽热的闪光被称为流星（meteor），当（或假如）它撞到地上就成为一颗陨星（meteorite）。

给它们命名其实并没有太大帮助，了解在这几个阶段中发生了些什么更有必要。

一个流星体的一生，是从其作为一个更大天体的一部分开始的，通常来说，这个更大的天体不是彗星就是小行星。小行星会相互碰撞，猛烈抛射出物质或者——更糟糕的是——母星体完全被撞得粉碎。无论是哪种方式，都会向四面八方迅速迸射出大量碎片。碎片会有各自新的轨道，并最终其路径可能会与地球相交。这时，我们就会看到明亮的单个流星从天上闪过。由于流星体的碎片可能来自太空中任何方向，我们可以看到它们从天上某任意点而来，沿任意方向而行。我们称这些流星为偶现流星。

彗星产生的流星则不同。彗星与小行星差不多一般大小，但成分不同。彗星的主要成分不是石块或金属，而更像冰冻的雪球；个头从鹅卵石大小到数千米之大不一的石块，被诸如水、氨以及其他冰块组成的冰冻物质裹挟着，从而形成了彗星。当彗星靠近太阳时，冰会熔化，小石块会变得松散。这类碎片通常会留在与彗星大致相同的轨道中很长时间，但并不总是如此，因为轨道会受到邻近行星的万有引力、太阳风乃至太阳的光压的影响。不过，这些碎片的轨道一般与母彗星的轨道很相似。

当地球费力穿过这条流星体碎片带时，我们就会看到不是一颗而是许多流星。通常而言，从头到尾穿过整个碎片路径要用几个小时或是数个晚上，所以我们会见到被称作流星雨的现象——就像一场流星的雨。每年，我们都会在大约相同的时间穿过同一个碎片带，因此流星雨是可预测的。例如，每年我们会在穿过斯威夫特-塔特尔彗星轨道上的碎片带时看到流星雨，它在8月12或13日达到峰值。^[1]

流星雨带来了一个古怪的结果。想象一下驾车穿过一个内部四周都是灯光的隧道吧。当经过隧道时，所有的灯光看起来好像是从我们前面的某点向外快速移动。但其实灯光环绕在我们四周，因此我们看到的并非真的，而是一种透视效果。流星雨的情形与此相同。地球轨道以某一角度与流星群相互交叉，而且年复一年不会有太大的变化。就像隧道中的灯光一样，流星从天空的四面八方而来，在我们眼前一闪而过，但如果反向追溯每颗流星的轨迹，它们都指向一个点，即辐射点。这个点由地球在太空中前进的方向与流星体本身的运动方向合成得到。辐射点差不多相当于隧道尽头的灯光。

因此前面提及的流星雨在时间和空间上都会再发生。每年8月，那些流星就会从英仙座方向闪过天空。流星雨以它们的辐射点命名，因此这个流星雨就被称作英仙座流星雨。

最著名的流星雨之一是每年11月来自狮子座方向的流星雨。狮子座流星雨引起人们关注有两个原因：其一，相对于我们地球来说，该流星雨的母彗星围绕太阳做反向轨道运动。这意味着我们会正面迎头撞进流星群。流星体的速度加上我们的速度，流星从天空闪过的速度更加迅速。

第二个有趣之处是流星群很密集。彗星每次经过太阳附近时（大约每33年）就会进入活跃期，抛射出大量小碎片。当我们经过这片集中的区域，看到的不只是1小时数十或数百颗流星，有时可以达到数千甚或数万颗。这被称作流星暴。著名的1966年流星暴每小时达数十万颗流星，这意味着要是曾观看过它，你每一秒钟都会看到有非常多的流星飞逝而过。那必定看起来好像天要塌下来了一样。

这就是我们为什么会看到流星的原因。但为什么它们如此明亮呢？几乎每个人都认为原因在于摩擦——我们的大气层使它们升温，从而使它们发光。令人意外的是，这个答案是错误的。

当流星体进入地球大气层顶部区域，就会压缩前面的大气。当气体被压缩，就会变热，流星体的高速度——可能高达每秒100千米——会强烈冲击运行路径中的大气。大气被如此大幅度地压缩，会变得非常之热，热到足以熔化流星体。流星体的前部——面向热气流的一端——开始熔化。它释放出各种化学物质，它们中的某些物质在受热之后会发射出很亮的光。流星体表面熔化时会发光，因此我们在地面上会看到一个发光体从天上闪过。流星体现在就成了一颗发光的流星。

这里，我自己也要为蹩脚天文学负上一些责任。我以前曾告诉人们说，与大气的摩擦使流星体受热——正如我前面所言，这也是书里和电视中通常给出的解释。不过，这是错的。事实上，在流星体与大气之间的确有非常小的摩擦。极热且被极度压缩的大气驻留在流星体之前，被物理学家称为离体激波。极热的大气与流星体实际表面相隔一段距离，足以使一小股相对移动较慢的大气能接触到流星体的前部。被压缩的大气所产生的热使流星体熔化，而移动较慢的大气则吹飞了熔化掉的部分。这被称作烧蚀。流星体被烧蚀的微粒会落在后面，从而拖了一条长长的发光的尾巴（有时称作流星余迹），它能达数千米长，在天上持续发光数分钟。

所有这些过程——大气的剧烈压缩、表面的加热以及外层部分的烧蚀——发生在离海平面数十千米的大气层高处。流星体运动的能量迅速被耗散，从而使它很快地慢下来，慢至声速之下。这时，流星体前面的空气不再剧烈压缩，流星则会停止发光。有规律的摩擦力开始发挥作用，使得流星体的速度放慢至每小时几百千米，这个速度并不比一辆轿车快多少。

这意味着，对于一颗普通的流星体来说，走完穿过大气层到达地面的余下的路程，得花上几分钟。假如撞到地面，它就被称作陨星。

然而，这带来了有关流星的另一个误解。几乎在我所看过的每部电影或电视节目中，小陨星都会撞到地面并开始燃烧。但这并非实际情况。流星体在深空度过了它们一生大部分的时间，因此它们的温度很低。它们只是在穿过大气层时短暂地受热，并且受热时间并未长到足以使它的内部深处变得温暖，如果它们由石头——十足的绝缘体——组成，则尤其如此。

事实上，最热的部分烧蚀掉了，流星体坠落到地面途中的那几分钟，其外层部分会继续冷却。此外，它要穿过几千米的冷空气到达地面。在撞到地面或是其后一会儿，流星体极其寒冷的内部温度会使其外部大大冷却。小个头的陨星不但不会导致燃烧，事实上，很多小陨星被发现时还会覆盖着冰霜！

大陨星的情况则不同。如果它足够大——比如直径1千米或更大，大气层不会使它极大地减速。对于确实很大的陨星来说，大气层就好像并不存在。它们全速撞向地面，其速度非常之快，而运动的能量被转换为热量，很多热量。就连直径100米左右、相对较小的小行星也可能导致大范围的破坏。1908年在西伯利亚偏远的沼泽地区上空爆炸的那一颗陨星大概就是这般大小。该事件现在被称作通古斯事件，它带来了令人意想不到的灾难，撞倒了数百千米范围内的树，触动了全球的地震仪。这一事件引起的明亮天光，在距离爆炸数千千米之遥的英格兰午夜时分也能看到。它所引起的火光肯定是令人震惊的。

这样的事件引起关注，是可以理解的。就连小石块——哦，或许有一个足球场大小——也可能造成很大的后果。但的确要相当大的石块才会造成那样的破坏。小石块——我说的是真正小的石块，大约苹果大小的那种——通常至多上演一幕出色的秀。记得十几岁时，有一次我从朋友那儿回家时看到过一次火流星——最亮的流星被称作火流星。它点亮了天空，亮到足以投下阴影，它后面还拖着巨大的余迹。很多年过去后，我依然还可以在头脑里清晰地描绘出它的景象。后来我估计，那个流星体本身可能并不比一个葡萄柚或小保龄球大出多少。

但大块头的陨星让很多人为之担忧，也应当引起我们担忧。如今，很少有科学家怀疑，一次大碰撞毁灭了恐龙以及地球上其他大部分动物与植物物种。撞击者可能是直径10千米（6英里）左右的天体，并且留下了一个数百千米直径的陨星坑。爆炸可能释放出400万亿吨级、大到不能想象的能量（相比之下，迄今所建造的最大的核弹也只能产生大约1亿吨级的能量）。一些天文学家夜不成眠地（毫不夸张地说）思考这个问题，这一点也不奇怪。

在世界各地，有多个天文学家团队在寻找潜在的地球撞击者。他们夜复一夜地耐心扫描天空，逐个寻找移动的暗淡光点，标绘出轨道的位置，预计它在未来的走向，以了解我们是否时日无多。

至今，尚无一人发现这样一个小石块，但太空中还有许多这样的石块……

假设在不远的将来，某一天，警报被拉响。一颗小行星被发现，它和毁灭了恐龙的天体一样大小，并且将于不久后同我们相遇。我们能做些什么呢？

不管好莱坞的影响如何，答案不可能是用加速的火箭飞行器向小行星发送一群说俏皮话的钻井工人，在最后一秒钟把它炸掉。这可能只在1998年很轰动的电影《世界末日》（Armageddon）中有效，在真实的生活中则没什么用。^[2]甚至迄今所制造的最大的炸弹也无法炸碎一颗得克萨斯州大小的小行星。（《世界末日》所展现的景象都并不很准确；大约只有一件事它搞对了，就是里面有一颗小行星，并且小行星的确是存在的。）同年，电影《天地大冲撞》（Deep Impact）讲述了一颗彗星在马上就要进入地球大气层之前被一颗炸弹炸得粉碎。那更糟糕了！你会看到多达十亿次的撞击，每一次爆炸威力均达数百万吨级，而非爆炸力在亿万吨级的唯一一次撞击。在《彗星撞地球》（Rain of Iron and Ice）这部令人着迷的书中，亚利桑那州立大学的行星学家刘易斯（John Lewis）估算，击碎一个中等大小的小行星实际上会使毁坏力提升4—10倍。这样做的结果是将大灾难散播到地球上更大的区域，从而导致更多的破坏。

如果我们无法将它炸毁，那么还可以做些什么呢？首先，最好的选择当然是让它避开我们，因此我们不得不用力将它推向一边。一颗小行星的轨道可以通过对它施加一个外力而被改变。如果有足够的时间，比如说数十年，外力可以很小。如果时间很短，则需要有一个较大的力。

要将这样的石块推离它的轨道有几个方案。其一，将火箭送上小行星表面，并竖起一个巨大的太阳帆。这个太阳帆由很薄的聚酯薄膜制成，面积达数百平方千米，它可以捕获太阳风，并对微小的太阳光压做出反应。它会施加柔和但持续的力，将这个石块移至一个更安全的轨道。

另一个方案更直接一些，将火箭缚在小行星上，用它们来推开小行星。这在技术上的困难首先是，如何将助推器绑到小行星上。

讽刺的是，好莱坞与另一个不错的方案颇为接近。我们用核武器给小行星加热，而不是将它炸飞。在《彗星撞地球》中，刘易斯认为，一次小型的核爆炸（他的意思是大约10万吨当量）就足够了。在小行星表面之上几千米处爆炸，爆炸所产生的强烈的热能会将小行星表面的物质蒸发掉。这些物质会向外膨胀，并像火箭一样将小行星推向其他的方向。刘易斯提到这一方案有两个好处：既避免了撞击的发生，还可以将核武器从地球上清理掉。这是所有做此研究的人们都很偏爱的方法。

所有这些方法隐含着一个微妙的假定，即我们了解小行星和彗星的结构。事实并非如此。小行星的组成成分是不同的：一些是铁质的，一些是石质的。另一些看起来好像只不过是一堆松散的碎石，仅靠自身的引力抱成一团。就连小行星最基本的信息我们也不知道，我们确实是在摸黑射击。

对付大多数的问题，我们最好的武器就是科学本身。我们有必要研究小行星和彗星，专心用功准备，这样，我们就可以更好地了解当危险来临时如何使其转移。2000年2月14日，NASA近地小行星探测器NEAR^[3]进入环绕小行星爱神星的轨道。这次行动所获得的信息令人惊骇，比如这颗小行星的表面结构及其矿物成分。更多的探测器正在筹划中，其中一些雄心勃勃地要在小行星上着陆并测定它们的内部结构。我们终究会了解当大难临头时如何对付那些危险的小行星。

由此可以得到一个有趣的推论。如果我们可以学会如何使一颗小行星转向而不仅仅是炸毁它，这就意味着我们能够操纵它。将一颗危险的小行星送入环绕地球的安全轨道也许是有可能的。由此我们实际上可以在小行星上建立起采矿业。在对彗星和小行星的分光观测基础上，刘易斯估计，一颗直径500米的小行星有价值相当于大约4万亿美元的钴、镍、铁以及铂。这些金属不含杂质，而且处于天然的原生形态，使得开采相对容易，而这一风险投资能获得的利润绰绰有余，让任何当初投资者都能得到丰厚的回报。而且这只是一颗小小的小行星，更大的小行星还多的是。

科幻小说家尼文（Larry Niven）曾评论说，恐龙灭绝的原因是它们没有一个太空计划。我们有，而且如果我们有足够的抱负且涉足足够远，我们就可以将导致人类灭绝的潜在武器转变为人类真正的金矿。

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直到现在，我们还没有太多的选择。也许当大难临头，我们可以力挽狂澜，但眼下我们所能做的全部就是去想象撞击时可能出现的情形。不幸的是，电影描绘了他们所理解的撞击。任何时候只要是与从天而降的东西有关而又解释不清的现象，通常就会归咎于流星。

话题还是转到阿尤布夫妇，他们仍然在位于新罕布什尔州索尔兹伯里的家中后院里搜寻陨星。起初，这个夜晚来访者听起来的确很像通常所描述的陨星。但我关于陨星的知识告诉我，那完全是另一回事。如我所言，陨星不会导致燃烧，除非它们很大。但还有其他一些事情尚未提及。它的路径被描述为一个弧形，而一个流星的轨道应该是笔直向下。而且，不论怎样专注细致地搜寻，都没有找到陨星。我向房屋所有者说起陨星可以卖很多钱，他们因此有强大的动力去寻找。但我从没听说任何人找到了陨星。

最后，这些事件通常有一些很寻常、很世俗的原因。我愿意掏钱打赌是有人在阿尤布夫妇房子附近的浓密森林里燃放焰火。这是我一厢情愿的猜测，它也可能是错的。也许我们永远不会知道是什么引起了这场火，但我们知道不是什么。我们可以将对陨星的误解归咎于好莱坞，但我们不可以将所有一切都归咎于不幸的事情本身。

【注释】

[1]以发现者的名字命名的斯威夫特-塔特尔彗星是英仙座流星雨的母彗星，是北半球三大流星雨之首。——译者

[2]在1998年公映的美国电影《世界末日》中，NASA发现一颗巨大的流星体正向地球方向运行，并将在18天之内撞上地球，为了避免这场灾难，决定派人登陆流星体表面，并钻洞贯穿该星体中心，放入核弹引爆。这一任务最终被委派给两位钻井工人。——译者

[3]NASA于1996年发射的近地小行星探测器NEAR，全称为Near Earth Asteroid Rendezvous，即“近地小行星会合”。——译者