当地时间2022年11月19日凌晨4时27分，美国和加拿大边境的安大略湖畔，大部分人都还在沉沉的睡梦之中。一颗代号为2022 WJ1的近地小行星悄然而至，以极低的角度闯入大气层，拖着明亮的尾巴划过安大略湖区，在烧蚀和压力作用下，在大气层中解体爆炸。不少人在睡梦中被巨大的震动声惊醒，当地监控镜头记录了这颗小行星划过天空将黑夜照亮的场景。实际上，这是人类第六次提前预警到近地小行星撞击地球，这颗小行星在天文学家的密切监测下陨落在安大略畔。
视频1——近地小行星掠过多伦多加拿大国家电视塔（视频来源：EarthCam）
事件回顾
撞击事件发生3个小时前，位于美国亚利桑那州莱蒙山顶的卡特琳娜巡天系统正在开展对近地小行星的日常巡天观测。卡特琳娜巡天系统由3台光学望远镜组成，口径1.5米和0.7米的宽视场巡天望远镜（国际编号分别为G96和703）用于发现未知小行星，而口径1.0米窄视场望远镜（国际编号为I52）用于对新发现的小行星进行跟踪测量。卡特琳娜系统是全球发现近地小行星效率最高的望远镜系统，迄今为止发现了全球超过一半的近地小行星。在此前5次成功预警到近地小行星撞击地球事件中，有4次是由卡特琳娜巡天系统发现的。巡天观测的主要任务是发现那些未知的近地小行星——其中有一些可能对地球造成严重威胁。比如2013年，一颗直径大约18米的近地小行星在俄罗斯的车里雅宾斯克地区上空解体爆炸，导致了接近1500人受伤。
图1 车里雅宾斯克事件动图（图片来源：NASA）
在茫茫夜空中搜索小行星并不容易。因为这些暗弱的小行星可能来自全天空任何方向，而望远镜某个瞬间能看到的天区就像一束手电筒的光。因此，需要将广袤的夜空划分成若干“网格”天区，再用手电筒逐一照亮这些网格“天区”，得到一副观测图像。图像里会有很多恒星，有明亮的恒星、也会有暗弱的恒星。如果足够幸运的话，可能还会有行星、矮行星以及小行星和彗星。但此时天文学家并不能分辨出来哪些目标是小行星，因为在“手电筒”照亮的短短的几十秒内，这些目标几乎都是静止的。天文学家需要每间隔一段时间，比如10分钟左右，用“手电筒”再次逐一照亮这些网格“天区”。对同一片天区在不同时间拍摄的图片进行对比，扣除静止的恒星和背景噪声等干扰后，才可以找到处于“移动”状态的近地小行星。
格林尼治时间11月19日4时53分（当地时间19日0时53分、距离小行星撞击约3.5小时），卡特琳娜巡天系统G96望远镜第一次拍摄到这颗小行星，在5时02分、5时10分、5时18分又分别拍摄了三张图像。在对四张图像处理后，卡特琳娜系统观测员David Rankin发现了这颗有可能会冲向地球的小行星。由于之前有过4次成功发现地球“撞击者”的经验，值班人员敏锐地判断到这可能是一颗将要撞击地球的小行星。卡特琳娜系统随即终止了日常巡天程序，利用G96望远镜在5时35分时，每间隔11秒对这颗小行星连续拍摄了4张图像，以提高对这颗小行星的轨道测量精度。新的数据确认了这颗小行星会以极大概率冲向地球，操作人员随即将3台望远镜全部对准小行星，进行精密跟踪观测，美国堪萨斯州的远点天文台（Farpoint Observatory）、加州的沙斯塔谷天文台（Shasta Valley Observatory）也对该小行星进行了跟踪观测。
动图2 卡特琳娜巡天系统拍摄到的小行星图像（来源：Catalina Sky Survey）
格林尼治时间6时12分（当地时间凌晨2时12分，距离小行星撞击约2.2小时），在G96、703和I52望远镜各自完成了4次观测后，卡特琳娜巡天系统确认了这颗近地小行星撞击地球的概率将到达100%，也测量出来这颗小行星的绝对星等为33.5,这意味着这颗小行星尺寸可能不足1米——这种尺寸的小行星会在大气层中烧掉、不会对地面造成任何威胁。这些数据被同步到国际小行星中心网站，美国宇航局的“侦察兵”系统也对这些数据进行了分析。
图3 “侦察兵”系统分析表明这颗小行星撞击地球可能性为100%(图片来源：NASA）
格林尼治时间 6时20分（当地时间凌晨2时20分，距离小行星撞击约2小时），卡特琳娜系统的首席运营专家Richard A. Kowalski向小天体邮件列表（ Minor Planet Mailing List，MPML）群发了一则消息——卡特琳娜巡天系统发现了一颗看起来要撞击地球的小行星C8FF042，呼吁全球观测者对该小行星进行观测，以获得尽可能多的数据。MPML邮件列表聚集了来自全球不同地区的天文专家和爱好者。美国天文学家Bill Gray预测该小行星将于格林尼治时间8时26分55秒陨落在美国与加拿大边境的安大略湖畔布兰特福德上空。有人尝试进行了跟踪，发现这颗小行星移动太快了，望远镜无法跟上这颗小行星，但编号为H36和T12的望远镜还是成功地“逮”到了这颗小行星。有人开始在社交平台发布消息，呼吁还没有睡眠的“夜猫子们”对即将到来的小行星进入大气层引发的火流星场景进行观测。
图4 Richard A. Kowalski向小天体邮件列表发送的邮件（图片来源：作者）
格林尼治时间7时55分（当地时间凌晨3时55分，距离小行星撞击约0.5小时），位于冒纳凯阿火山顶、编号为T12的夏威夷大学88英寸望远镜捕获了这颗小行星的最后一副图像，随后这颗小行星进入了地球的阴影之中，没有望远镜能够再次看到这颗小行星。但小行星闯入大气层后，在大气摩擦和烧蚀作用下，小行星的动能会转化为光能向外辐射，将形成明亮的火流星。由于这颗小行星进入大气层的角度仅有10°左右，它将以接近水平的角度撞向地球，这意味着掠过的轨迹将非常长，安大略湖畔居民如果还处于清醒状态，将能见证这颗拖着尾巴的小行星火球在划过长长的轨迹后撞向地球。有人开始带着便携式拍摄设备来到户外，等待这颗小行星进入大气层。
格林尼治时间8时27分（当地时间凌晨4时27分，撞击发生），这颗小行星如约而至，它拖着长长的明亮的尾巴，自西南偏西向东北偏东划过。有人拍到了这颗小行星划过位于多伦多的加拿大国家电视塔的场景，可以看出这颗小行星向高速列车一样，接近水平地划过加拿大国家电视塔，在大气摩擦和烧蚀作用下，解体爆炸，一路洒落碎块。由于角度较低，这颗小行星经过了充分的大气减速，所以看起来似乎小行星运行速度并不高，很可能有大量小碎块降落到地表。美国宇航局对落点进行了分析，认为很可能在安大略畔寻找到小碎块，但大碎块可能落在了湖里。有人听到了小行星解体引发的巨大震动声，感觉就发生在附近；有人半夜醒来，听到厨房里盘子发出震动的声音。国际小行星中心在对数据进行处理后，为该小行星赋予临时编号2021 WJ1，而此时小行星已经撞击了地球。
图5 可能的落点（图片来源：NASA）
并非第一次提前预警小行星撞击
这是人类第六次成功预警到近地小行星撞击地球事件。此前5次分别为：
——2008年10月6日，卡特琳娜巡天系统发现的2008 TC3小行星，尺寸约为3米，撞击速度约为12.8km/s,预警时间约为17小时；
——2014年1月1日，卡特琳娜巡天系统发现的2014 AA小行星，尺寸约为2.3米，撞击速度约为11.7 km/s，预警时间约为19小时；
——2018年6月2日，卡特琳娜巡天系统发现的2018 LA小行星，尺寸约2.8米，撞击速度约16.8km/s，预警时间约为7小时；
——2019年6月22日，卡特琳娜巡天系统发现的2019 MO小行星，尺寸约5米，撞击速度约为16.1km/s，预警时间约为12小时；
——2022年3月11日，匈牙利双鱼座天问题发现的2022 EB5小行星，尺寸约2米，撞击速度约为18.5km/s，预警时间约为2小时。
可以看出，卡特琳娜系统在预警撞击地球的近地小行星方面独具优势。这跟卡特琳娜系统的设计和运营理念相关。大部分用于小行星监测的望远镜都是“单打独斗”，而卡特琳娜巡天系统打的是“组合拳”——2台巡天望远镜协同配合对广域天区进行普查，而一旦发现可能撞击地球的来袭小行星，马上将巡天模式切换为应急模式，调动全部3台望远镜对来袭小行星进行跟踪测量，可以及时判断目标小行星是否为撞击者。相比之下，另外一个在近地天体巡天领域作出巨大贡献的望远镜系统——泛星计划望远镜，虽然单台望远镜能力比卡特琳娜系统要更突出，但由于缺乏自跟踪能力，迄今尚没有提前发现一颗撞击体。除此之外，卡特琳娜巡天系统的数据处理系统专门优化了针对撞击体的轨道确定算法。尽管在人工智能时代，望远镜数据处理逐渐向智能化方向发展，但卡特琳娜巡天系统一直有观测员值班，可以第一时间研判撞击情况、及时启动应急模式并对外公布信息。这也是卡特琳娜巡天系统在口径并不突出的条件下，连续多年获得近地小行星巡天发现冠军的重要原因。卡特琳娜巡天系统的成功经验对我国未来构建近地小行星监测预警系统也有借鉴意义。
图6 卡特琳娜巡天系统（图片来源：Catalina Sky Survey）
无须惊慌，也不能掉以轻心
实际上，米级小行星撞击地球，几乎每个月都会发生，绝大部分都是在撞击地球之后，才被人发现，形成耀眼的火流星事件。比如发生在2017年的云南香格里拉火流星事件、2018年的云南西双版纳火流星事件、2019年的吉林松原火流星事件、2020年的青海玉树火流星事件、2021年的河南南阳火流星事件，以及今年在甘肃宁夏边界发生的固原火流星事件。这类事件一般不会对人类生命财产安全造成危害，但会引发比较大的社会关注，甚至会吸引陨石猎人去猎寻这种稀有的“天外来客”——陨石。
近地小行星撞击地球频率与其尺寸呈反比关系。尺寸越小的小行星撞击地球频率越高，但由于大气层保护，小尺寸小行星一般会在大气层中解体，引发危害也小，甚至完全无害。尺寸较大的小行星撞击地球频率低，但一旦撞击引发危害性效应极大，甚至引发地球环境灾变，导致物种灭绝。就像6500万年前，一颗直径大约10千米的近地小行星撞击北美墨西哥湾，是导致恐龙灭绝的重要科学模型之一。但值得庆幸的是，这类可能导致全球级灾难的直径公里级的近地小行星，人类已经编目了95%以上，我们遭遇这种“绝世天劫”的可能性微乎其微。
当然，我们也不能掉以轻心——真正值得关注的是直径20米级、50米级和140米级近地小行星。这类小行星数量多、撞击概率不忽视，也能引发城镇级、大城市级和区域级危害。但截至目前，直径140米级小行星仅发现了约40%、直径50米级近地小行星发现率不足5%、而直径20米级近地小行星发现率不足1%。这意味着，人类防范近地小行星撞击威胁还有很长的路要走。
出品：科普中国
作者：李明涛（中国科学院国家空间科学中心）
监制：中国科普博览