航天器如何避免在小行星带发生碰撞？

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翻译：尹天任

校对：王茸 蔡贺菁

审阅：牧夫校对组

美编：周英杰

后台：胡永葳

织女星周围小行星带想象图

图源：NASA/JPL-Caltech

虽然在流行文化，尤其是影视和艺术作品中，小行星带常被描绘为高度密集的区域，如上面这幅织女星周围小行星带的想象图所示。然而，这种描绘与天文学的实际观测结果存在显著差异，主小行星带中的天体分布相对稀疏，小行星之间的平均距离远大于它们自身的尺寸。因此，尽管该区域在视觉想象上可能给人以一定的密集感，但实际上，与其中一颗小行星实现“会合”仍然需要精心策划和高度精确的轨道控制。

在科幻电影《星球大战》系列中，有一个经典场景：汉·索罗（Han Solo）与他的同伴莱娅·欧根娜（Leia Organa）、楚巴卡（Chewbacca）以及C-3PO在千年隼号（Millennium Falcon）飞船的驾驶舱内，被帝国的TIE战斗机追击。由于超光速引擎受损，飞船无法进行超光速跳跃，索罗决定采取一种高风险的逃避策略，将飞船驶入一个密集的小行星区域。C-3PO提供了一个概率评估，指出成功穿越小行星群的可能性极低，大约为1/3720。尽管面临极高的风险，索罗凭借其卓越的飞行技巧和对飞船的精准操控，成功地在小行星群中穿梭，巧妙地避开了密集的障碍物，最终摆脱了帝国的追击，并确保了全体船员的安全，并按照合同规定活到了电影的结尾。这一场景为观众带来了十足的紧张感，非常具有观赏性，可以说是一个完美的电影片段。

千年隼号穿梭于小行星区域

图源：《星球大战》影视截图

现在，且让我们抛开电影，剥离流行文化带来的影响，认真思考这么一个问题：太阳系中的航天器如何才能安然无恙地穿过主小行星带？

用一个简单的答案来说，这很容易。针对太阳系内主小行星带的航天器穿越问题，我们应当认识到流行文化中的描述与实际天文观测之间的差异。如上文提到的电影《星球大战》中所描绘的小行星带场景，与实际天文观测结果不符，属于艺术夸张和虚构。尽管主小行星带包含众多小天体，但相对于其广阔的空间范围，这些小天体的分布密度极低，远未达到拥挤的程度。因此，对于航天器而言，穿越这一区域并非如虚构作品中所展现的那般充满挑战。

该观点初看似乎悖于常理，毕竟主小行星带中的小行星数量多达数百万颗。此外，据天文学家估计，那里大约有 110 万到 190 万颗直径大于半英里（1 公里）的小行星。那可是一大堆翻滚着的大石头！然而，如果把所有这些小行星聚集在一起，形成一个单一的整体星球，其结果将是一个直径只有930英里（1500千米）的矮行星，而且这相当于一个质量仅占月球3%的矮行星——对比冥王星的直径1477英里（约2377千米）。需要强调的是，这些天体分散在广阔的空间中，主小行星带所覆盖的区域大约为 4.7×10^25 立方英里（约2 x 10^26立方公里），小行星之间的平均间隔约为600,000英里（约965,600千米）。这一平均距离并未考虑小行星族的存在，后者可能呈现出更高的聚集密度。因此，即便是天性忧虑的C-3PO也应当能够冷静地向任何太空旅行者传达，“与主小行星带中的小行星发生碰撞的概率极低，大约为十亿分之一”。

为了提供一个直观的尺度对比，我们设想将太阳缩小至棒球的大小。基于这一比例缩放，主小行星带可以被构想为一个圆盘形状的区域。该圆盘的内边缘距离这个棒球大小的太阳约为76英尺（即23米），而外边缘则延伸至113英尺（即34米）之处。在此设定下，如果我们将所有小行星的总直径累加，其大小仅相当于一根标准回形针金属丝直径的一半。进一步地，若将这一微小如丝的累积直径再细分成数百万个更细小的碎片段，这些碎片段散布在宽度约为37英尺（即11米）的圆盘区域内，即主小行星带的内外边缘之间，那么结果将展示出一个极为空旷的空间环境，其中小行星的分布极为稀疏。简而言之，小行星带中的天体并非如常见描绘那样密集，而是散布在广阔的空间中，真正的航天任务规划必须考虑到这些天体间巨大的间隔。

值得注意的是，众多航天器，包括但不限于旅行者号、先驱者号、伽利略号、卡西尼-惠更斯号以及新视野号等，都已成功且未受任何阻碍地穿越了这一区域。这一事实不仅验证了该区域的实际空旷程度，也预示着未来航天器在执行深空探测任务时，同样能够安全地穿越主小行星带，而不会与小行星发生意外接触——当然，除非其特定任务目标是研究其中的某一颗小行星，比如NASA的NEAR Shoemaker（尼尔·舒梅克）航天器。

『天文湿刻』 牧夫出品

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原文链接：https://www.astronomy.com/science/how-do-spacecraft-avoid-collisions-in-the-asteroid-belt/