物理新知–小行星漫談
文﹕朱明中   湯兆昇   鄭啟明    

恐龍絕種和小行星撞地球有關嗎 ?
圖一  恐龍絕種和小行星撞地球有關嗎 ? (圖﹕陳輔偉)
 
一九九一年一月,人類險些遇上一場大浩劫!

一顆直徑約九公尺的小行星在距地球十七萬公里處掠過,若該星擊中地球,將引發一次比廣島原爆威力大十倍的大爆炸。如果落在城市上,後果固然不堪設想,即使跌落海中,亦會引起巨大海嘯,對人命財產造成嚴重威脅。

究竟這些小行星是何方神聖?原來太陽系內除了九大行星外還有很多小石頭及碎片,特別是在火星和木星之間,離太陽約二至三天文單位處 (一天文單位等於地球和太陽的平均距離),就有一個小行星帶 (asteroid belt),佈滿超過萬顆這類小天體,稱為小行星 (asteroid / minor planet)。巳知體積最大的小行星為榖神星 (Ceres),其直徑約為九百四十公里,質量只有地球的一萬分之一。由於小行星的體積小,觀測它們十分困難。例如發現「高錕星」,就好比在一至二千公里外找到一個像排球一般大小的物體。現今巳測定軌道的小行星,只有約三千五百顆。大部份的小行星以近似圓形的橢圓形軌道運行,軌道隨時受其他天體影響,特別是當它們進入所謂「卻活缺口」(Kirkwood gaps) 時。這些缺口與太陽的距離剛好和木星軌道半徑成整數比例 (例如 1:2,2:3 等),以致產生共振現象 (resonance)。在「卻活缺口」的小行星受木星引力影響極大,其軌道十分不穩定,很容易突變成長橢圓形,以致離開小行星帶,伸延到較近太陽和地球的地方。亦有一些小行星在類似情形下被拋出太陽系以外。為理解這特殊現象,物理學家應用混沌力學 (Chaotic dynamic) 來描述小行星軌跡,近年取得相當進展。

究竟小行星帶如何形成?說起來這又和天文學上一條叫 Titius-Bode Rule 的規律有關。這規律描述各大行星與太陽的距離 (設地球與太陽的平均距離為一天文單位):
Titius-Bode Rule

此式中 n 為一整數,代表各行星,如 n = 2 為金星, n = 3 則為地球等。至今沒有任何理論可解釋此式之來由,因此大部份天文學家只把它看成為巧合而巳。根據上式,於 2.8 天文單位處應有一顆行星。後來果然在 2.77 天文單位處發現穀神星,而小行星帶的位置亦正好在那裡。這似乎暗示茪p行星帶本來是一顆行星,後來不知何故碎裂成千萬塊碎片。另一個理論則認為在小行星帶的物質從未凝聚成一顆行星;在太陽初生時,那處的氣體及塵埃不斷受木星引力拉扯,撕裂成千萬小塊,再各自凝結成小行星。當中即使出現較大塊的凝固物,亦會因為與其它物體碰撞而碎裂成小塊。近年的觀測證據似乎較支持後者。其中一項證據是小行星帶內部 (近火星) 的金屬含量較高,而帶外部 (近木星) 的碳含量則較高。這可能是因為氣體塊與太陽的距離不一,導致溫度差異並產生分化現象。若說小行星是一顆大行星碎裂而成,則很難解釋這種現象。

研究小行星的結構及成份,有助於瞭解太陽系的起源。小行星的金屬含量頗高,其中可能包括地球上的稀有金屬如鉑等。甚至有人估計,一顆直徑一公里的小行星的礦藏,可能價值萬億美元以上。所以派太空船到小行星採礦,可能是將來重要的研究方向。

小行星 Gaspra
圖二  小行星 Gaspra 好像花生 (Courtesy JPL/NASA)
 
派太空船到小行星探測,巳經不是科幻小說的情節。一九九六年二月十七日,美國太空總署發射了一個名為 NEAP 的太空探測衛星,向小行星帶進發。NEAR 於九七年六月在小行星 Mathilde 一千二百公里外掠過,然後於九九年一月飛到愛神星 (Eros) 幾百公里的範圍內進行詳細的探測工作。愛神星形若橄欖,長約四十公里,軌道橢圓率甚大。愛神星的近日點在地球軌道之內,是有機會與地球相撞的小行星之一。九五年到達木星的「伽里略號」太空船,於途中亦飛過兩顆小行星 Gaspra 及 Ida 並在近距離做了很多觀測工作。Ida 狀似花生,雖然只有五十六公里長,卻擁有一顆一英里大小的衛星 Dactyl。由於其質量及表面重力場分佈極不平均,在 Ida 上拋擲物體的軌跡便會比在地球上複雜得多了。

除了這些太空計劃,世界各地亦有很多業餘或專業天文學家長期找尋未發現的小行星。小行星的發現者除了可以享受發現新天體的滿足感外,亦有給小行星命名的權利。這種工作甚至有助預報災難。為甚麼?讓我們回到小行星與地球碰撞的話題上。

小行星撞擊地球並不罕見。最近一次發生於一九零八年。一顆約三十公尺大的石質小行星直闖地球,在西伯利亞上空爆炸,威力相當於一千萬噸炸藥。地球上一百多個半徑大於十分一公里的隕石坑,相信就是這類撞擊造成的。巳知有兩組小行星有機會撞上地球。這兩組稱為 Apollo 及 Amor 的小行星,直徑可達兩公里左右,若其中一顆擊中地球便會引發約一千億噸炸藥威力的大爆炸。很多科學家相信,六千五百萬年前恐龍突然絕種,就是因為這種大爆炸令全球氣溫驟變所致。下一次小行星撞地球更可能令人類滅亡!巳確定軌道的 Apollo 小行星約有三十顆,短期內均不會撞上地球。不過估計未發現的 Apollo 小行星共有數千顆,我們可能要等到其中一顆飛近地球時才驚覺危險!希望那時人類有足夠的智慧及科技去應付這場大浩劫吧。