要取一塊疑似從太陽系外來的天體 A/2017 U1，地球文明需要付出多大的成本？

11-28

就是剛剛斜著插過黃道面那個星體。追上去挖個幾公斤樣品回來，現在的人類做得到嗎？
相關問題：如何看待新聞《NASA 在太陽系內發現了一個不明飛行物，它來自太陽系以外》？

謝邀，以現有人類技術的極限，如果提前二十年準備有可能實現小型探測器登陸，但絕不可能採樣返回

隨著後續觀測數據的持續補充，現在我們大概知道了這顆小行星/彗星的基本情況是，

基本確定來自太陽系外，直徑在160米-400米之間。雙曲線軌道，一旦離開便永遠不會回來。從水星和太陽之間穿入黃道面，速度在80+千米/秒，從地球下方2400萬千米經過，從地球和火星之間飛出太陽系，速度在44+千米/秒。

當然，我們得首先假設人類早在十幾年前就發現了它並開始全力準備，大致分析（不定量計算）下可行性。

1。黃道平面內飛掠方案

就飛到旁邊看一眼就走的那種方案。

無論是從進入黃道面點（太陽和水星之間）還是離開黃道面點（地球和火星之間），人類都有足夠的能力飛掠，但這樣好像並沒有什麼意義，而且由於傾角問題幾乎就是一瞬間擦肩而過，科研價值幾乎為0，就別浪費錢了。

2。伴飛+降落方案

飛到它旁邊跟著它一起飛，像羅塞塔彗星探測器那種，按照目前人類取得的航天成果，基本上有能力去探測太陽系內部任何一顆小行星和彗星（柯伊伯帶奧爾特星雲神馬的就算了）。但這個天體的最大問題在於軌道傾角，它與黃道面保持60/120度夾角，也就是說當我們從地球發射一顆航天器時，要實現這麼大傾角的變化。

然而這就非常難了，就好比本來在一個平面運動，你非要跳出這個平面，難度遠遠大於在同一個平面內加速和減速。

對於星際探索而言我們必須依賴地球運動的初速度，29.8千米/秒的圍繞太陽運動速度，然而這個速度是在黃道平面內的，如果要單單把這個速度偏上個60度而哪怕不改變大小，需要付出的代價是（這裡以最簡單的圓軌道變傾角公式）

也就是說，如果一個深空探測航天器（注意跟近地軌道兩碼事）從地球出發後僅僅想改變60度軌道傾角，就需要付出29.8千米/秒的速度變化。

目前人類最複雜的深空探測器就是最近剛剛謝幕的卡西尼號探測器，它總重5.7噸，這已經是人類歷史上強大最重的深空探測器了（我忽略了更大但失敗的俄羅斯人火星探測器Mars 96）。它攜帶了超過3.2噸燃料，但這些燃料即便全部燃燒完僅僅夠實現2.4千米/秒的速度變化，連我們需要的十分之一都不到。

但我們還有一個方案，依靠強大星球引力實現傾角改變，比如當年的旅行者一號就在探測土星的最大衛星泰坦時被一次性甩飛出黃道面，傾角為36度左右。

來自https://appel.nasa.gov/2011/02/02/the-path-to-scientific-discoveries-designing-the-cassini-solstice-mission-trajectory/

卡西尼號在土星飛行最後7年內的軌跡圖，簡直絢爛和複雜到無情，前面還有7年沒有畫出來。。。

比如，卡西尼號更是在探測土星的過程中利用泰坦幾十次改變軌道速度和傾角，13年時間最終實現了90千米/秒的速度變化，可以實現我們的目標了。

所以我們可以依靠地球和月球這個複雜的系統實現同樣的方式，把它甩出來相同軌道面且並不消耗太多燃料，實在不得已麻煩木星也行。。。。

但此時我們必須讓它環繞太陽，因為地球能圍繞地球環繞的衛星必須符合一個叫做希爾球的規則，這裡相當於地球能夠用引力控制衛星的極限，它的半徑大約150萬千米，顯然遠遠低於A/2017 U1跟我們的最近距離2400萬千米。

所以可以先讓地球引力給拉出一個大大的橢圓且與黃道面成一定夾角的軌道，然後再藉助地球乃至木星引力助推和自身能量，直接給甩到圍繞太陽運動的超大橢圓軌道中。

這個也是可行的，NASA和ESA在1990年合作的尤利西斯號太陽探測器，藉助木星引力，把軌道直接甩到了80度傾角、近日點在1.35天文單位，差不多相當於地球和火星之間，跟這個小天體離開時的位置差不多，如果經過精細的軌道設計，這個人類探測器會有大段的軌道與之重合。

尤利西斯軌跡圖，來自http://www.esa.int/esapub/bulletin/bullet92/b92marsd.htm

但尤利西斯這貨6年才走一圈軌道，真的太慢了，所以真心要好好設計軌道啊。

雖然我們不至於選這麼大，但也差不太多，而且由於地球的助推能量遠不如木星，估計我們要甩很多年很多圈才有可能甩上去。。。。但不管怎樣，這都比靠人類目前的航天器和火箭靠譜，人類的化學推進能力，是絕對不可能實現的，而且是遠遠實現不了。。。

好了，已經幾年甚至十幾年過去，終於有可能相遇了。

但是還有一個問題，它們相遇時候，速度不一樣。

航天器是走橢圓軌道，速度就按照太陽的引力影響，相遇點速度估計在20+千米/秒。那個小天體走雙曲線軌道顯然快很多（40+千米/秒），我們又面臨一個問題：如何趕上？

這時候只能航天器釋放一個小型子探測器，扔掉所有沒用的質量。而且這個探測器也絕對不能用化學能了，只能用人類的電推進（目前只能用在衛星的微推進上），用電離的氙離子去推進這個小探測器。

2007年美國發射的黎明號，使用電推進已經改變了10.8千米/秒速度。它攜帶了大約420公斤燃料。我們大可以帶上數倍，這樣也可能從20+千米/秒達到40千米/秒甚至更快，追上小天體了。

終於二者速度也可以差不多了，小型探測器看起小天體而言相對靜止，此時我們可以釋放更小的著陸器，像羅塞塔帶的菲萊那種(不可能很沉否則當初作為死重電推也推不動啊)。

http://spaceplasma.tumblr.com/post/102471756059/rosettas-philae-probe-lands-on-comet-after

由於這個小天體實在太小了，引力可以忽略不計，著陸器估計還要帶像魚叉那樣的儀器，緩慢撞上去被鉤中，就像菲萊那樣。

終於，著陸成功！抓緊聯繫地球（通過伴飛的小探測器），要不就越飛越遠了。

所以最後的方案是：

提前10年甚至20年就發射一個重達10噸的大型任務，通過地球和月球乃至木星引力，反覆引力助推並加上自己強大的推進能力，最終給甩到一個環日大橢圓軌道。選擇難度最小的小天體軌跡離開太陽系的那半段，這段慢很多而且在距離太陽較遠的地方，人類航天器受太陽干擾沒那麼大。當小天體快靠近大型探測器時，釋放小型探測器（當然也得有3-5噸級別），全靠電推全力加速實現軌跡重合。在相遇後釋放著陸器（100-200公斤級別），緩慢「撞向」小天體，著陸。

這是人類的絕對探測極限，是把所有已有技術放在一起僅有的可能性，做一個太陽系外訪客著陸工程。雖然成功率不到一半（已經很樂觀了），但絕對是人類史上最牛的一個當然也是最貴的探測器。

而落上去想返回，意味著要克服所有的軌道速度和軌道傾角重來一遍，這時已經沒有引力助推和電推啥的了，根本不可能，估計奧特曼也做不到。

而且我們還得首先假設人類早在十幾年前就發現了它並精準預測了未來軌跡開始全力準備，現在才發現去追是不可能了。

不過，如果最後放著陸器的時候發現小天體不像彗星一樣表面軟軟的，而是個實心的大石頭塊，鉤子根本沒用，那就很感人了：

探測器大概會像打乒乓球一樣被彈回來。

好不容易來了又被踢回去了，任務劇終。

所以，人類的極限是準備數十年僅能跟離我們這麼近的天外訪客打個招呼，所以大家現在知道人類要想擺脫太陽系有多難了吧？

太空精釀：人類會被困死在太陽系中嗎？

直接採樣取回難度太高，就算是登陸也非常困難。但是，換個思路，如果提前知道軌道，派一顆衛星在交匯點撞擊該天體，研究碎屑的光譜，就可以發至少一篇nature文章，做一部紀錄片，出一道高考題了。這樣的衛星成本可以很低，中國國家航天局原則上都有這個能力……

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更新：

很多中文媒體不懂，把hyperbolic excess velocity＝26km/s 當做靠近地球的速度，這是完全錯誤的。這個hyperbolic excess velocity( $v_{infty}$ )指的是：當這個物體完全離開太陽系之後剩下來的速度，這個博洋大神昨天直播說過了。

在離太陽近日點時候，這個星體相對太陽的速度是87.7km/s

在離太陽1AU(天文單位）時，這個星體相對於太陽的速度：

$v=sqrt{v_{infty}^2+v_{escape}^2} =sqrt{26^2+43.2^2}=50.4km/s$

實際上發現的時候，相對太陽速度估計是46km/s,　還有部分報道認為靠近地球最近時相對太陽的速度(並不是相對地球速度）是44km/s，

（注意這些速度有差異是因為該天體處於不同的位置）

相對於地球的速度我沒有數據，因為這顆星體速度軌道完全不在黃道面，實際上有一個很高的傾角。做一個非常粗糙的估計，假設這個星體速度方向和地球速度方向近似垂直，那麼近似可以認為它經過我們時候的速度值，約為：

$v_{relative}=sqrt{50.4^2+29.79^2}=58km/s$ ，這個數值應該是比實際偏大的，作為參考而已。

總有些吃瓜群眾想知道這個速度意味著什麼，做個非常不恰當的計算。假設它撞擊地球...該星體約直徑160m，目前不清楚構成，但是考慮到沒有彗發，傾向於認為其是岩石組成甚至鐵構成。這樣它的密度可能是３000kg/m^3 或者8000kg/m^3。這樣其質量可能是643萬噸，或者1715萬噸。假設相對於地球速度約為50km/s。撞擊能量約為19.2億噸或者51.2億噸TNT，也就是人類核彈總當量(150億噸TNT)的１/8~1/3左右。。。當然這個計算誤差非常大，而且沒有考慮地球的引力勢（增加），碰撞角（減少），在大氣層燃燒（大為減少）等因素，最終撞擊地面的能量可能僅僅以上計算值的10%。但是總能量肯定是非常巨大的，毀滅一片城市群問題不大。。。但是應該不會對全人類造成滅絕。。。（基本上這個計算和　趙泠：如果A/2017 U1恰好與地球相撞，會發生什麼？人類有沒有可能逃過此劫？數量級上一致，但是她速度計算有問題）

這個計算也基本上斷絕了我們現在追上這顆天體的可能。現有的航天器實際上根本追不上跑的這麼快的天體，好像下一代航天器才能追上，（萬一有了速度是目前航天器10倍以上的探測器，也許還真有人想去追上看一下），因此只能提前等候。實際上，我們想的應該是搭順風車，假設通過某種機制讓探測器在這顆天體上著陸，那麼這個探測器會比旅行者1號先離開太陽系。

（附表：來源不可靠）：

hyperblic excess velocity

26 km/s - A/2017 U1

16.6 km/s - Voyager 1

14.9 km/s - Voyager 2

12.5 km/s - New Horizons

11.3 km/s - Pioneer 10

10.4 km/s - Pioneer 11

這顆小天體的發現也實在太偶然，一開始黃緯那麼大。而大量的近地巡天地面望遠鏡一般是往黃道面（黃緯為0）看的，不會有人想著看那麼高黃緯的天區，這一般是銀河系和系外星系的觀測天區，只有當這顆天體落入黃道面附近才被發現，不然對這顆極限星等近11.4等的星體，早就該發現了。不知道它會不會對很多其他望遠鏡照片造成過污染…不過估計可能性不大，因為如果有人發現這麼高藍移和自行的天體，應該早就開始研究了。

還有些很多人仍然認為該星體是太陽系內的天體。Pseudo-MPEC for A/2017 U1　這個網站的作者煞費苦心的駁斥了５種它可能屬於太陽系內天體的理由（懶得一一列舉了，反正我也覺得這些認為屬於太陽系內的觀點不靠譜）。但是為安全起見，我們還是把它當做疑似系外天體比較好。

胡言亂語了很多，大家看看就行了。這種事情下次還不知道什麼時候再發生啊，可能一百年之後了～。。。具體來說，徐蒙博士才是專家　＠haibaraemily，大家有問題問她吧。。。哈哈，這顆破石頭還是有點意思的~

如果提前幾年知道軌道的話，著陸器是有可能的（成功率沒有保證），現在人家都飛走了，肯定是追不上了。要知道探測器去「追」目標天體並不是瞄準了直線飛過去的，哪兒有那麼多燃料…都是不斷藉助各個天體的引力彈弓效應進行助推，偶爾燒點能量變個軌而已（新視野號比較逆天，只用木星助推了一次），從現在再開始規劃探測器，等待發射窗口，黃花菜都涼了…

但更重要的是，即使提前幾年知道軌道，過去采個「幾公斤」之多的樣品回來對目前的技術來說也是不可能的。能帶這麼多樣品回來的目前為止只有四十年前的阿波羅號做到了，可人家近呀！
盤點一下除了月球之外的採樣工作：
近地小行星：隼鳥號，機器採樣了幾克糸川星樣本，成功返回
火星：好奇號，在地分析（就是直接帶儀器過去當場分析然後傳回數據）
木星族彗星（來自柯伊伯帶，但被木星重力場「鎖定」）：羅塞塔號，攜帶的著陸器菲萊號本來是打算著陸彗星67P的，不過因為一些意外著陸沒有成功，即使成功了也只有在地分析計劃，沒有採樣返回計劃
土衛：卡西尼號攜帶的著陸器惠更斯號，成功著陸土衛六，沒有採樣返回計劃

還在進行中的：
NASA2016年發射的小行星採樣返回計劃OSIRIS-Rex，目標是小行星101955，預計2023年才能到…是否成功還未知

我們目前的技術對太陽系內的天體的無人採樣返回尚且技術還很不成熟，連著陸的成功率都不能保證，而且即使成功也不可能採回大量樣本，對來自太陽系外，速度這麼快軌道這麼不精確確定的天體難度就更大了…

綜上，我的個人觀點是，即使提前兩年預知軌道，人類目前的技術水平也還沒有準備好。

但@凌晨曉驥的說的不著陸採樣，而是直接撞擊分析的方案我覺得可行，現成的例子就是NASA2005年發射的彗星探測器深度撞擊號（Deep Impact），它成功撞擊了坦普爾彗星1號的彗核並對濺射物進行了分析，其結果對我們認識彗星成分有重要科學意義。當然前提還是得提前幾年知道軌道…

深度撞擊號與彗星撞擊前和撞擊時（小的是撞擊器，大的是飛躍器，撞擊器一邊撞，飛躍器一邊拍）（圖片來自維基）

如果你能提前兩年預警的話，理論上是做得到的。

現在才知道，等你把探測器設計生產出來再發射到截擊軌道，黃花菜都涼了

現在從地球上出發肯定是追不到了。因為這個天體可以擺脫太陽引力，那肯定超過第三宇宙速度42.1 km/s。而人類目前的火箭最高紀錄是哥倫比亞號太空梭14 November 1981達到的7.78 km/s，差的很遠。

但是，假如人類足夠幸運，提前很多年觀測到了這顆天體A/2017 U1，守株待兔可不可能呢？

我覺得是可能的。如我畫的圖所示，因為這個天體是斜切入太陽系的，也就是和太陽系諸行星的公轉面有個角度。如我畫的圖上的兩個紅點，只有在水星軌道內部，以及地球和火星軌道中間，各有一個它的軌道和公轉平面的交匯點。這兩個點可以成為攔截點，錯過了只能越飛越遠。

我推薦在攔截點2進行攔截，因為在這個位置，其速度明顯比在靠近太陽的攔截點1的速度小，而且背對太陽，可以避免太陽輻射對於通信的干擾。但是發射一顆火星衛星是不行的，如圖所示，火星離的很遠。我們只有提前好幾年發射航天器，做一顆人工小行星，圍繞太陽公轉。

地球文明需要付出多大的成本？我覺得可以參考人類火星計劃的預算，NASA 2016財年的具體預算，關於火星的探索主要一部分歸屬於「行星科研（Planetary Science）」，預算額為13.6億美元。當然這個計劃並不考慮飛回地球來，對於這個小天體，我們打算用五年來做，假設一年30億美元（預算翻了兩倍多），那麼五年150億美金。如果交給中國人來做，我覺得打個五折75億美金能拿下。

倘若考慮飛回來，當年阿波羅計劃年度預算29.67億美元，佔美國GDP的0.4%（冷戰時期人類真牛B）。現在也按這個編預算，考慮通貨膨脹和減去載人費用，一年編50億，五年250億差不多了。如果交給中國人來做，我覺得打個五折125億美金能拿下。

綜上所述，大概要75億到250億美元（五年）。NASA一年的預算是190億，不見得花不起。換中國人干，估計就遠超預算了（據說中國航天20年來只有350億人民幣），得加錢。

現在我們已經知道，A/2017 U1闖入太陽系的初速度為26.07±0.1km/s，近日點相對於太陽的速度高達87.7km/s，遠超第三宇宙速度，完全是一去不回的節奏。

人類目前的技術水平完全無法發射一個足夠高速的探測器「追上」這顆小行星（當然，該天體性質目前仍然存疑），美國發射的深空探測器都是經過長時間加速才實現了令人驚異的速度，而且完全無法精確控制飛行軌跡，讓該探測器返回就更困難了。

如果我們能夠提早預知該天體軌跡，我們就能在計算出的近日點附近提前設伏，用部署的若干攔截器等待高速逼近的A/2017 U1，攔截器依靠小型推進器調整自身位置，然後等待一次撞擊。

以A/2017 U1的高速，這樣的撞擊足以將一些岩石成分從中剝離開來，負責採樣的飛行器就可以上前捕獲碎片，並帶往地球。

這樣做的成本其實並不會高到不可接受的地步，最大的消耗不過是若干大推力火箭，不過相比於廣袤的宇宙和無窮的天體，我們目前的觀測水平其實並不比瞎子強太多，等我們發現並了解到A/2017 U1的驚人之處時，人家都快飛走了，實在遺憾。

旅行者二號佔盡天時地利進行引力加速也只有大約15.5km/s的無窮遠處速度(大概)，但這個玩意足足有26.6km/s啊，而且軌道傾角123o搞個jb引力加速。
而且它太小了，引力場幾乎沒有，20等星觀測也費勁，怎麼著陸？儀器找到它都難。
現在已經飛遠了，要是早一點預警，興許可以在近地附近將探測器展開成一個大平面，然後撞擊，興許能獲得一些信息，畢竟化學動力火箭時代只能做到這一步了╮（╯＿╰）╭
現在追？要想達到這速度，動力來源肯定不能在自身(這裡可以盡情開腦洞，比如霍老爺子提的突破攝星計劃和劉電工的階梯計劃)，但這也意味著不能減速甚至調整軌道都很困難。
不能減速怎麼著陸？更不用說返回了，只能直接撞上去啊。
雖然太陽系裡飛著那麼多探測器但探測器不是想發就能隨隨便便發的，要發射窗口_(:з」∠)_

「S371號恆星系文明未能攔截我方探測器，初步判定為3C級文明，不具接洽價值」

用無限長的輕質槓桿，上頭綁一個知乎牌小勺，舀到一勺以後，放在光滑滑塊上，傾斜槓桿，很快就回來了。

30年後，人類發射不舍號探測器追趕此天體。50年後人類發射年夜飯號探測器，回收不舍號。80年後地球某理工大學發射了攙扶者一號探測器追趕，把年夜飯號與它捕獲的不舍號提前38年帶回地球。

看運氣和巧合了，運氣好的話不用出地球就能拿到。

簡單想了一下，夠嗆。據科普文介紹，該天體路過太陽系時，最低速度會降至25.5千米每秒的速度，遠高於16.7。並且最快速度高達40多千米每秒。即使人類航天器能夠藉助引力加速到達這個速度範圍，也需要足夠長的時間，並且加速後的位置不一定好，加速時間內天體估計已經跑遠了。

難道一定要物理撞擊嗎？發射激光束撞擊不是更好嗎？激光束內還可編入信息。如果該隕石有回應，那就確定有生命體。

我在想能不能弄個探測器讓他帶著飛，飛出太陽系看看

目前的計算能力還遠遠不夠，觀測這種小天體的設備和手段還十分落後，只有很近了，才能看到，以目前的手段，取樣，返回，基本無望。設想一下，如果人類有那種高端觀測設備，能監視到幾光年外直徑幾百米的小物體，強大的電腦可以分析出它的精確軌道，那麼我們可以提前發射點東西去軌道交匯點候著。

如果提前幾年知道軌跡，然後守株待兔地在其離地球最近的位置從前方將其炸碎，會不會有碎片落進地球軌道，被地球引力束縛住，然後在近地點或者其他位置用捕捉器帶回，不知道是否可行？

以現在科技，很難追上

氫彈可以為航天器加速，也可以為航天器減速啊。
提前預知軌道的話，在該天體活動路徑上可以布置一系列氫彈，就可以將其減速為人類小行星探測器可以捕獲的速度，運行軌跡也可以掰到黃道面上面來。
要知道氫彈逐級加速可是人類目前唯一拿的出手的亞光速加速方案，對付一個最大速度只有光速萬分之幾的天體還是沒什麼壓力的。
由於爆炸後該天體軌道不確定，所以需要在一定範圍內布置一定數量的機動氫彈來應對，類似分散式的導彈防禦系統。雖然這貨速度是是洲際導彈的好幾倍，但畢竟不會像洲際導彈那樣機動變軌。
鑒於一百多米這個體積下會被氫彈顯著的蒸發質量，所以最終需要的氫彈可能不會有多少。小心點別把它完全炸碎了就好。

算出來了也追不上，更何況算不出來（精度不夠）