【探索29-2】軌道力學——人類文明的救星？
第29期「探索」系列講座「The New Ocean——太空時代再起」第二講邀請到淡江大學航空太空工程學系系主任蕭富元教授，為我們講述太空中的其他星體對於地球的威脅，再進一步介紹目前科學家們認為可行性最高的解決方法——「重力牽引法」，NASA於2022年完成的DART任務即是此種方式的測試性任務。而此種方式最核心的技術便是軌道力學的計算，它不僅計算出了太空船撞擊小行星的軌道，甚至後續對於小行星受撞擊前後的運行軌道變化觀測也必須仰賴它。可以這麼說，不論日後減少行星撞擊地球的技術如何發展與改變，軌道力學都會是每次任務成敗的關鍵。
講者、審定｜淡江大學航空太空工程學系系主任 蕭富元 教授
彙整、撰稿｜李宜靜
危機四伏的外太空
1969年人類首次登上月球，太空人阿姆斯壯曾說：「這是一個人的一小步，卻是人類的一大步。」時隔多年，以NASA為首的阿提米絲太空探索任務也在近幾年展開，人類對於外太空的好奇心與日俱增。探索外太空對人類來說可能是尋找另一個可以居住的地方，同時也可能是因為太空中的其他行星將會對地球帶來威脅。
六千六百萬年前，恐龍因為行星墜落地球而滅絕，然而，根據科學家對外太空的觀測與研究，這樣的事件將可能重演。因此NASA 2022年9月26日完成的DART任務，全名是雙小行星重新導向測試，目的就是為了測試人類是否有機會防禦外太空的行星撞擊到地球。
淡江大學航空太空工程學系系主任蕭富元教授解釋，地球軌道附近存在著很多小行星，尤其是火星和木星中間，這些行星大小不一，各自在自己的週期軌道中運轉。然而，在多變且複雜的外太空中，有些行星會入侵地球軌道，對地球產生不同程度的衝擊。目前科學家已經對這些行星做分類，好讓我們知道什麼時候需要提早做防禦準備。
他更詳細地說到，我們已經知道每年大約都有50～100噸的外星物質落入地球大氣層中，這些物質的大小多為公尺以下，它們絕大部分形成了流星，非常快速地就在大氣層中燃燒殆盡，因此對人類並不會有太大的影響。然而，若是直徑10公里以上的行星撞擊地球，則會造成全球性的大滅絕，慶幸的是，其發生頻率大約為每十億年發生一次，因此也還不用擔心會在近期發生。我們需要注意的就是距離地球夠近，大小又可能會對地球產生破壞的外太空物質，它們在近期發生的機會也會較高。例如1908年通古斯大爆炸事件，即是直徑50公尺以上的小行星撞擊地球所造成的部分地面破壞。此外，受到直徑超過1公里的行星撞擊，也將會造成較大面積的破壞，威脅到人類的生存，這種大小的撞擊其發生頻率約為數百萬年一次。
減少行星撞擊威脅的方法
為了要減少這些行星所帶來的威脅，目前已經發展出三種可行的方法，分別為重力牽引法、核能及重力撞擊法。由於重力牽引法需要耗費的時間較長，核能則同時會帶來政治及安全隱憂，因此這次的DART任務即是使用重力撞擊法——透過太空船的撞擊去改變小行星的動能與質量，進而改變其軌道週期及速率，減少對地球造成威脅的可能性。撞擊的概念就如同高中所學的能量守恆定律，參數的設定則要依據小行星的材質去做預測。儘管在這次的任務中，我們在地面上根據觀測模擬出類似材質所提供的參數與實際結果仍有一些誤差，不過已經為未來的防禦經驗提供了大幅度的科學進展。
不過這次DART任務，為何發射上去的太空船並非撞擊小行星本身，而是它的衛星？說起DART撞擊任務的起源，科學家們大約是在5年前發現了這顆潛在威脅的小行星，起初他們規劃需要派兩艘太空船才能達成任務，一艘進行小行星觀測，另一艘則進行撞擊，不過這樣的方式成本其實相當高，因此曾取消計畫。而後，科學家們發現若是選擇雙星系統的小行星，再加上使用地面天文臺進行光影變化的觀測，便可以僅使用一艘太空船就完成撞擊任務，於是計畫又於2017年重新啟動，並選擇於2022年9月進行撞擊，因為此時是該小行星離地球較接近的時間，能夠快速得知任務的成敗。撞擊其衛星的優點在於，衛星的質量相對較小，因此相較於小行星光影變化明顯，觀測較為容易；同時，若這次任務失敗，依據預測，再過兩年則可以再次瞄準，因此比起瞄準小行星本身來說，週期、易觀測性、發射成本都相對較低。
太空任務不容失敗！軌道力學來幫忙
每一次的外太空任務都需要耗費相當大的成本，因此為了讓任務既成本不至於太高，又能讓成功率增加，軌道力學就扮演著其中不可或缺的一環。蕭富元教授接著解釋這次任務軌道設計中的限制以及其餘需要考量的因素，包含輻射帶、日蝕、月食、通訊和電力。此外，太空船需要靠著燃燒燃料才能持續推進，儘管這次使用了持續性的低推力引擎，卻可能會有推力失效的情況發生，因此也需要提前推估出狀況發生時的挽救可能性。
演講的最後回到最核心的問題——軌道力學如何挽救人類文明？DART任務不僅是為了一次性地防禦行星的撞擊威脅，在任務結束後，仍需持續觀測小行星受到撞擊前後的軌道變化，以及估算動量的增強因子來為下一次的試驗做準備。目前科學家已經觀測出在2880年將有一顆直徑1.1公里的小行星會和地球產生撞擊，若沒有提早準備，此次撞擊將會對於人類的生存造成一定的威脅。蕭富元教授表示，雖然那時候可能已經有更進步的方法能夠抵抗，但軌道力學的計算仍是每次任務成敗的關鍵。
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