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环球科学 09-27

人类首次!NASA 探测器成功撞击小行星,偏转小行星轨道

DART 任务示意动画。视频来源:NASA

今天早上 7:14 分,在距离地球 1100 万千米的太空中。一颗人造探测器以 6.2 千米 / 秒的速度撞向小行星,轻微改变了它的轨道。大约 6500 万年前,一颗小行星砸向地球,恐龙就此走上末路,恐龙没有办法避免这一切。而今天,如果又有一颗代表着末日的小行星向地球飞奔而来,刚刚的撞击证明,人类或许有能力改变自己被毁灭的命运。

撰文 | 王昱

审校 | 二七

当今世界并不太平,瘟疫、冲突、经济衰退、气候剧变 …… 每个因素都有重创人类文明的潜质,有时甚至会让人感叹:“人类文明究竟还剩多少年?”

来自地外的威胁

在这一堆令人不安的因素中,如果有人告诉你,人类还需要担心来宇宙中小行星的威胁,那你多半会觉得他是杞人忧天。的确,小行星撞击地球导致世界末日,与其说是严肃的科学问题,倒不如说更像是电影里的情节。

电影《不要抬头》中,小行星撞击地球导致世界末日。图片来源:《不要抬头》

但这种担忧并不是空穴来风。1994 年,一颗名为舒梅克 · 列维(Shoemaker-Levy)的彗星砸向木星,彗星在撞击前分裂成了 21 块,其中最大一块的撞击威力高达 6×10¹² 吨 TNT,相当于人类核武储备的 600 倍,在木星表面留下的伤痕比整个地球还要大。更可怕的是 2013 年,一颗直径 20 米的小行星在俄罗斯车里雅宾斯克州上空近 30 千米处爆炸,威力大约为 45 万吨 TNT,相当于一颗 W88 核弹头,造成 1600 人受伤。

2013 年 2 月 15 日清晨,一颗与房子差不多大的小行星进入地球大气层,在俄罗斯车里雅宾斯克上空爆炸。图片来源:Alex Alishevskikh/wikipedia

太阳系内,如果一个小天体的轨道有部分位于距太阳 0.983~1.3 倍天文单位(地球到太阳的距离)之间,那么它就会被分类为近地天体(near-earth object,NEO),这样的轨道让它有可能会接近地球。而如果近地天体的轨道与地球交叉,并且直径大于 140 米,那它就属于潜在威胁天体(potentially hazardous object,PHO)。目前,人类已经发现了 29 000 颗近地天体,其中 2270 颗属于潜在威胁天体。

人类已知的近地天体。统计截至 2018 年 1 月。图片来源:NASA/JPL-Caltech

偏转小行星

大约 6500 万年前,恐龙因为一颗陨石彻底走上了不可避免的灭绝道路。今天的人类拥有比恐龙先进得多的技术,如果有一颗小行星径直向人类奔袭而来,人类是否有能力偏转小行星,避免末日的命运?

有一个好消息,也有一个坏消息。

好消息是,天文学家有不少办法,多到甚至能让人产生他们在炫技的感觉。首先,我们可以用一颗卫星直接撞击小行星,改变它的轨道;还可以给小行星安装助推器,把它推走;也可以汇聚太阳光,蒸发小行星表面物质推动它;还能给小行星表面喷漆,改变其表面光照吸收率,用阳光的热效应改变它的轨道;甚至还能直接在小行星周围引爆一颗核弹,用最绚烂最暴力的方式解决问题 ……

偏转小行星可能的方式。图片来源:《环球科学》2021 年 7 月刊

坏消息是,从来没人验证过这些方法,没人能确保这些办法一定有效。并且,以上这些办法还会带来别的问题,比如核武器的方法一定会引起复杂的国际安全争议,爆炸产生的小行星碎片仍然有可能对人类造成威胁。

但就在今天早晨,美国航空航天局(NASA)的双小行星重定向测试(Double Asteroid Redirection Test,DART)证明,或许人类有能力改变小行星的轨道。如果有一颗小行星向地球飞奔而来,人类或许有能力避免被毁灭的命运。

硬核飞镖

DART 这一单词在英文里有飞镖的意思,而今天早上 7:14,DART 任务也正如飞镖一样,在 1100 万千米之外,以每秒 6.2 千米的速度迎面撞击孪小星(Dimorphos)。孪小星是孪大星系统(Didymos system)中较小的一颗,直径大约为 160 米左右,另一颗孪大星(Didymos)直径大约为 780 米。两者中心点相距 1.18 千米,以 11 小时 55 分钟的周期相互绕转,如果一切都如研究人员预想的那样,撞击将会让它们相互绕转的周期缩短几分钟。后续几周内,地面观测将尝试证实这一点。

DART 任务的说明图。图片来源:The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory LLC

除开两边 8.5 米长的太阳能板,DART 探测器主体尺寸为 1.2 × 1.3 × 1.3 米,在撞击孪小星时质量大约为 570 千克。孪小星绕孪大星绕转的速度为 174.2 毫米 / 秒,质量估计在 50 亿千克左右。当 DART 以 6.1 千米 / 秒的速度撞击栾小星时,如果碰撞是完全非弹性的,孪小星的运行的速度将会被降低 0.7 毫米 / 秒,如果考虑到撞击在孪小星表面抛射了部分物质,速度改变量将会更大。最终撞击对轨道周期产生的影响可以被地面证实。

对小行星撞击过程的模拟。图片来源:Johns Hopkins APL/Angela Stickle and Emma Rainey

当然,地面观测并不能直接观测到 1100 万千米外 0.7 毫米 / 秒的速度变化。但可以观测到速度变化对轨道周期产生的影响 —— 这也是选择撞击孪小星的主要原因之一。选择撞击孪小星的原因主要有以下几点:

不论撞击结果如何,孪大星系统都不会对地球产生任何威胁

从地球上看来,孪大星系统中的两颗可以互相遮挡彼此,天文学家可以用地面望远镜测量它们相互绕转时产生的光变来计算它们的公转周期。

孪小星足够小,撞击能够产生可被观测到的周期改变。

另外,DART 的撞击时间也是精心选择的。在撞击时,地球和孪大星系统的距离正处在 1100 万千米的最低值。作为参考,地球到月球的距离大约为 40 万千米,地球到火星的最近距离大约为 5000 万千米。更近的距离让天文学家能提高观测质量,更精确得测量轨道周期。但目前的测量方式决定了,天文学家只有测量多个周期之后,才能得到足够理想的结论 ——就好像手表如果一天慢了一秒,你往往需要几天时间才能察觉到—— 为了验证 DART 撞击的效果,天文学家还需要几周的时间。

星际导航

为了实现任务目标,DART 必须找到孪小星并直接撞上去,而这并不容易。

DART 导航系统目的如上图。右下角为意大利制造的 LICIACube 微型卫星。素材来源:NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

当地时间 2021 年 11 月 23 日,NASA 用 SpaceX 公司的猎鹰 9 号火箭发射了 DART 任务,从那以后到昨天,地面控制人员都能以高精度的地面观测为 DART 为它导航。昨天的最后一次调整后,DART 的瞄准精度也只有 2 千米,而孪小星直径也只有 160 米左右。

撞击前 60 分钟、4 分钟、2 分钟和 3 秒时 DART 观测到孪小星,图片内容为模拟。图片来源:DART Press Kit

更要命的是,直到撞击前的 1 个小时,DART 上搭载的设备才能观测到孪小星。为此,应用物理实验室(APL)专门为 DART 开发了一套智能导航机制 SMART Nav。SMART Nav 可以预测孪小星的位置,并控制 DART 上搭载的离子推进器控制方向 ——DART 搭载了 12 个推进器,其中离子推进器推力很小,可用于精细控制。APL 的研究人员甚至专门写了一篇文章介绍这套导航系统。

撞击前 1 小时的计算机模拟。视频来源:Jeremy Rehm、Steve Gribben/APL

刚刚,NASA 也直播了 DART 撞击栾小星的全过程,证明了导航系统的工作效果。

DART 撞击 NASA 直播录像。视频来源:NASA

孪小星在 DART 的镜头中越来越大,直到画面突然消失 ——DART 撞击了孪小星,整个探测器在一瞬间摔得粉碎,DART 成功了。不过太空中的探测并没有就此结束,DART 在 15 天前就释放了一颗微型卫星观察撞击结果。

这颗微型卫星名为 LICIACube(Light Italian CubeSat for Imaging Asteroids 的缩写),由意大利制造,它会在撞击后约 3 分钟飞过孪小星,让它有机会看到 DART 撞击产生的陨石坑。这颗卫星在 DART 撞击时也会观测撞击产生的羽流,寻找可能有价值的信息。但它信息传输速度较慢,可能还需要几个小时我们才能收到它拍下的画面。而 DART 的撞击究竟对孪小星的轨道产生了多少改变,还需要接下来几周的天文观测证实。

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