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小行星撞地球？發(fā)個飛鏢打偏它！| 賽先生天文

2022/09/30
導讀
呔，小行星，看鏢！

封面圖：美國宇航局的雙小行星重定向測試（DART) 探測器與其撞擊目標——雙星小行星系統(tǒng)藝術(shù)合影。圖片來源：NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

  • 導 讀


如果有一天，原本安分守己的小行星突然狂性大發(fā)要撞地球了該怎么辦？我們會重蹈恐龍的覆轍么？別擔心，人類已經(jīng)邁開了積極應(yīng)對的第一步。

北京時間2022年9月27日清晨7點14分，由美國宇航局（NASA）發(fā)射的一顆雙小行星重定向測試任務(wù)（DART）探測器，在歷經(jīng)了十個月的太空飛行后，終于抵達了自己既定命運的終點站——雙星小行星迪迪莫斯（Didymos）和迪莫佛斯（Dimorphos）軌道附近，最終以每小時23760公里的悲壯姿態(tài)一往無前地撞向小行星迪莫佛斯，結(jié)束了自己短暫而矚目的一生，為人類的行星防御戰(zhàn)揭開了歷史性的篇章。本期賽先生天文，讓我們聚焦雖死猶生的“人類飛鏢”——DART探測器。

撰文 | 鄭曉晨（北京天文館）責編 | 韓越揚、呂浩然

  • 小飛鏢，走你


北京時間 2021 年 11 月 24 日 14 時 21 分，NASA使用SpaceX獵鷹9號火箭，將一顆雙小行星重定向測試任務(wù)（DART）探測器從美國加州范登堡空軍基地發(fā)射升空。而DART的任務(wù)就是探訪兩顆近地小行星（見圖1），這也開啟了人類行星防御的首次演習。

圖1：“人類飛鏢”DART探測器的軌道動圖，其中黃點代表太陽，藍色代表地球?qū)崟r軌跡，綠色代表此次探訪的兩顆近地小行星的實時軌跡，紫色代表DART探測器的實時軌跡，青色、橙色分別代表另外兩顆近地小行星2001 CB21和Orpheus的實時軌跡。圖片來源：Phoenix7777

實際上，這并非是人類首次向近地小行星發(fā)射探測器，前有日本宇航局（JAXA）發(fā)射的隼鳥2號（Hayabusa2），后有NASA發(fā)射的冥王號（OSIRIS-REx）。不過，與這些前輩探測器不同，這枚英文縮寫意為飛鏢的探測器，不再重復“登陸→取樣”的老路，自誕生之日起，它就注定要踏上一條無法返航的粉身碎骨之旅。

眾所周知，除主星太陽外，太陽系主要由八大行星組成，這八顆行星又可以根據(jù)大小、成分進一步細分為兩大陣營：一類是以地球為代表的巖石類行星，另一類則是以木星為首的體型龐大的（氣態(tài)/冰）巨行星。有意思的是，太陽系內(nèi)的這兩個行星陣營楚河漢界、涇渭分明，距離最近的類地行星火星與氣態(tài)巨行星木星之間，恰恰隔了一道天塹，即為小行星遍布的小行星帶（Main Asteroid Belt）。

小行星帶是太陽系內(nèi)小行星最為密集的區(qū)域。據(jù)估計，小行星帶中的小行星數(shù)目高達幾百萬顆，大小從（約）直徑525千米（灶神星Vesta）到小于10米不等，其中直徑超過1千米的小行星約為110-190萬顆，更小的小行星也有幾百萬顆之巨[1]。這些小行星大多形狀不規(guī)則，外表坑坑洼洼，仿若歷經(jīng)風霜、飽受摧殘。事實上，這些小行星確實是（約）46億年前太陽系形成早期遺留下來的殘骸，曾見證了太陽系早期諸多激烈動蕩的演化史。

歷經(jīng)千帆的小行星們，現(xiàn)下和整個太陽系一樣趨于平靜，它們大多軌道穩(wěn)定，以近圓或橢圓軌跡繞太陽轉(zhuǎn)動，日復一日、年復一年，和地球之間井水不犯河水。不過，仍有部分小行星，它們的軌道或由于木星的巨大引力擾動，或由于火星（等天體）的近距離交匯而改變，進入火星軌道之內(nèi)，接近甚至穿過地球軌道。一般的，近日點距離小于1.3地日距離的這一類小行星即稱為近地小行星（NEAs）。

圖2：過去20年間，已探知的近地小行星（圖中青色點）與太陽系八大行星軌跡圖 。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

目前，已記錄在案的近地小行星群體超過29000顆（見圖2），其中大小超過140米的近地小行星數(shù)目也超過了10000顆，這些小行星中潛藏了一些令我們寢食難安的危險分子[2]。要知道，如果一顆個頭超過10千米的小行星直直撞向地球，則足以造成全球性的物種大滅絕。所幸，大塊頭的小行星為數(shù)不多，與地球軌道交匯的概率更低。

據(jù)估計，平均億年間，才可能有一顆大小10千米左右的小行星撞上地球；數(shù)十萬年間，地球才可能遭遇一顆千米大小的小行星撞擊。以我們?nèi)祟惗虝旱奈拿魇穪砜?，暫可忽略不計。不過，個頭越小的天體，撞上地球的概率越高。一個大小超過140米的小行星，或許將在兩萬年間造訪地球。這類小行星雖然個頭不大，傷害卻不小，如果它撞擊到陸地，可能將直接摧毀一座小型城市，即使它撞擊到海洋，也將引發(fā)威力巨大的海嘯[3]。

這些未來可能發(fā)生的驚心動魄的情節(jié)，成為眾多災(zāi)難電影的靈感來源，人類的渺小與掙扎所引發(fā)的共鳴，根植于心的英雄主義情懷，無一不是票房收割的利器。無論是早年間的《世界末日》（Armageddon），還是今年上映的《獨行月球》，熒幕前的觀眾都在為一個個救世主般的英雄歡呼雀躍，而在熒幕之外的現(xiàn)實之中，確確實實有那么一群科學家，正在默默無聞的將藝術(shù)落地為現(xiàn)實，為人類百千萬年后的危機未雨綢繆。

  • 小行星，看鏢


那么，如何為百千萬年后的人類，阻攔下疾馳而來的小行星沖擊？這正是需要舉全球之力方能開展的行星防御，即利用行星科學來解決近地小行星（小天體）撞擊危險的艱巨任務(wù)。

在很多災(zāi)難電影中，人類都選擇通過核爆炸毀那顆即將撞向地球的小行星，在一片璀璨奪目的煙火中，拯救文明于既倒。當然，我們也可以不那么眩目地拋出一顆飛鏢，打偏小行星原有的行進方向，最終與地球擦肩而過各自安好。

此次由美國宇航局擲出的“飛鏢”——DART探測器，正劍指小行星迪莫佛斯（Dimorphos）。在此之前，人類已經(jīng)累計了一些小天體撞擊的經(jīng)驗。比如，早在2005年，美國宇航局的深度撞擊號（Deep Impact）探測器通過釋放撞擊器成功撞擊了坦普爾1號彗星的彗核[4]；2019年，日本宇航局的隼鳥2號探測器通過釋放撞擊器在小行星龍宮（Ryugu）上撞出了一個大坑[5]。所以，撞擊小行星在當今的技術(shù)水平下，并非難事。但撼動一顆小行星，使之產(chǎn)生可觀測的偏離，卻也絕非易事。

要知道，小行星迪莫佛斯的直徑約為160米（見圖3），估重約為50億公斤，而這顆人類飛鏢DART探測器，即使展開其太陽能板全長也不足20米，撞擊質(zhì)量預(yù)計約為570公斤[6]。不難想象，這樣一顆人類小飛鏢投擲上去，帶給迪莫佛斯的影響著實有限。

圖3：與羅馬角斗場大小相當?shù)牡夏鹚?。圖片來源：ESA

如果迪莫佛斯是一顆特立獨行的小行星，這種影響引發(fā)的公轉(zhuǎn)軌道改變微乎其微，恐怕以現(xiàn)有的技術(shù)手段都難以探知。但妙就妙在迪莫佛斯隸屬于一個雙星小行星系統(tǒng)，距離其（約）1.18公里處，有一顆主導伴星——小行星迪迪莫斯[6]。

相較于迪莫佛斯，迪迪莫斯可謂體型龐大，直徑約為780米。所以，迪莫佛斯常常也被視為小行星迪迪莫斯的衛(wèi)星。迪迪莫斯的公轉(zhuǎn)周期約為2.1年，軌道離心率達到0.38（即它的橢圓軌道有點“扁”，不像地球軌道那么圓），雖然被劃分為近地小行星中的潛在危險群體，但其軌道實際與地球并無交匯。

兩顆小行星彼此繞轉(zhuǎn)，繞轉(zhuǎn)周期不到12小時，其中一者微小的速度改變都將明顯地體現(xiàn)在兩者的雙星軌道上。比如，若迪莫佛斯由于探測器的撞擊而速度減緩，則雙星系統(tǒng)的繞轉(zhuǎn)軌道將望遠鏡可見地縮?。ㄒ妶D4）。據(jù)測算，如果DART探測器以它的身量能以每秒6千米的速度迎頭撞向迪莫佛斯，將導致兩者之間的繞轉(zhuǎn)周期縮短幾分鐘[7]，這一軌道變化，對于現(xiàn)有的探測技術(shù)不在話下。

不僅如此，由DART探測器撞擊帶來的動能沖擊，在迪迪莫斯引力主導的環(huán)境下，并不足以破壞小行星迪莫佛斯的穩(wěn)定性，引發(fā)可怕的連鎖反應(yīng)。所以，雖然迪莫佛斯和迪迪莫斯兩者彼此繞轉(zhuǎn)，歲月靜好，（幾）百年內(nèi)都不會對地球構(gòu)成實際威脅，但仍然難逃覬覦，成為人類開展行星防御實驗的首選地。

圖4：DART探測器的撞擊將改變雙星系統(tǒng)中小行星的繞轉(zhuǎn)軌道（由白色的原有軌道變?yōu)樗{色的新軌道）。圖片來源：NASA/Johns Hopkins APL

北京時間2022年9月27日晨6點54分，在歷經(jīng)十個月的太空旅程后，DART探測器終于精準鎖定了小行星迪莫佛斯，20分鐘后，切斷了所有推進器的DART探測器以每小時23760公里的速度一頭撞上了小行星迪莫佛斯，粉身碎骨[8]。

此時此刻，雙星小行星迪莫佛斯與迪迪莫斯剛好飛掠地球上空，DART探測器的葬身之地距離它的誕生地（最近時）不過1100萬公里。雖然這個距離范圍，并不足以讓地面的望遠鏡們一窺撞擊全貌，卻也是個千載難逢的觀測良機。

比如，由NASA和夏威夷大學的合作項目——小行星對地撞擊最后警報系統(tǒng)（ATLAS）項目，就利用世界各地的四臺望遠鏡追蹤小行星迪莫佛斯，其中作為撞擊事件的最佳觀測地點——南非薩瑟蘭觀測站拍攝到了一段高能的撞擊畫面（見圖5），捕捉到了小飛鏢DART探測器隕滅時的剎那璀璨。

圖5: ATLAS拍攝到了DART探測器與小行星迪莫佛斯撞擊的小視頻。視頻來源：ATLAS Project, University of Hawaii via Storyful
磨刀霍霍的地基望遠鏡們也可以利用掩星法，通過觀測雙星系統(tǒng)中小行星反射光的周期性亮度變化，推斷雙星小行星系統(tǒng)在碰撞前后的軌道周期改變情況。

目前，世界各地的多個天文臺早已枕戈待旦，包括在前一段時間大出風頭的韋布太空望遠鏡也已調(diào)整方向，共同參與這場觀測的盛宴。

通過本次小行星撞擊偏向試驗，人類有望通過迪莫佛斯的（雙星）軌道變化，獲取真實的撞擊數(shù)據(jù)。在此之前，科學家們往往只能窩在實驗室里制造些微小的撞擊事件，并據(jù)此構(gòu)建計算模型，至于這些計算模型是否適用于物理性質(zhì)復雜的小行星猶未可知。而DART的撞擊結(jié)果將驗證，甚至提升計算模型的準確性[9]。

當然，DART探測器的犧牲，意義遠不止于此，圓滿完成撞擊任務(wù)的DART探測器開辟了小行星試驗場的先河，成功驗證了諸如自主導航、新型離子推進系統(tǒng)等各項新技術(shù)的可行性[10]，為應(yīng)對未來可能面臨的小行星撞擊危機，趟出了一條光明前路。

為了初步評估撞擊試驗的成果，DART探測器在設(shè)計之初便自帶攝影師——一顆稱之為LICIACube的輕型立方衛(wèi)星，用于小行星成像。該衛(wèi)星由意大利航天局（ASI）部署，包含兩個光學相機，早在撞擊幾周前就已脫離DART探測器單飛[8]。根據(jù)計劃，該立方衛(wèi)星通過軌道調(diào)整，在DART探測器撞擊約3分鐘后飛掠過撞擊地點，拍攝確認撞擊狀況，觀察碰撞后的物質(zhì)噴濺情況（見圖6），并將照片傳回地球。

日前，由LICIACube拍攝的第一批圖像業(yè)已傳回，科學家們?nèi)栽趯@些圖片進行詳盡的科學分析，比如評估小行星迪莫佛斯在本次撞擊中的受損情況、撞擊引發(fā)的噴流等等。 

圖6：由LICIACube拍攝的四張小行星迪莫佛斯被DART探測器撞擊前后的圖像。圖片來源：ASI/NASA

也許不久后，我們還能看到迪莫佛斯表面新鮮出爐的撞擊坑，欣賞到DART探測器永遠都不可能看到的另一個半球的風景。

不過，想要深入了解DART探測器的撞擊成果，還需要另一個后繼者。由歐洲航天局（ESA）制定的赫拉號（Hera）將擔此重任[11]。赫拉號由一個主探測器和兩個伴生立方衛(wèi)星組成（見圖 7）。按照計劃，赫拉號將于2024年發(fā)射，并在2026年底（DART探測器撞擊四年后）抵達小行星迪迪莫斯附近，針對DART探測器碰撞試驗，開展后續(xù)的深入探測，包括對小行星表面隕石坑的測量，和撞擊后動力學效應(yīng)的詳細研究。作為再次造訪的人類探測器，赫拉號有望進一步明確迪莫佛斯的質(zhì)量，極大地擴展人類的行星防御知識。

當然，行星防御需要全世界人類的共同努力，中國也將組建近地小行星防御系統(tǒng)，爭取在2025年或2026年實施一次小行星撞擊防御試驗，為人類應(yīng)對小行星等地外天體對地球家園的威脅盡一份力。

圖7：歐洲航天局赫拉號及其兩個子衛(wèi)星調(diào)研DART探測器撞擊產(chǎn)生隕石坑的示意圖。圖片來源：ESA

  • 后 記


回首整個太陽系的演化史，撞擊從未缺席，尤其在尚未劃定勢力范圍的早期，太陽系曾處處硝煙彌漫。今時今日，太陽系內(nèi)仍殘留著往昔大碰撞的印記。

我們也許要感謝碰撞，地球正是在無數(shù)次碰撞中孕育成長，而頭頂那顆為無數(shù)文人墨客提供了大量創(chuàng)作靈感的月球（當然除了精神層面，也有很大的實際作用），可能也正誕生于約45億年前的一次大碰撞[12,13]。不過，恐龍如果在天有靈的話或許會強烈反對這一論調(diào)，因為導致恐龍滅絕的罪魁禍首，很有可能正是6500萬年前的一顆直徑約12公里、名為?？颂K魯伯的小行星[14]。

然而，人類雖然很幸運地錯過了?？颂K魯伯所引發(fā)的生物大滅絕事件，雖然未來百年人類大概率也不會目睹到一顆直徑超過140米的小行星撞向地球。但正如同第二只靴子終將落下，毀天滅地的小行星必將在某一天大駕光臨。如果在此之前，人類還沒有因為環(huán)境污染、全球變暖、大流行疾病、能源短缺、自相殘殺等等而滅絕的話，屆時，但愿我們可以從容不迫地應(yīng)對這顆來勢洶洶的天外訪客。

而一切的起點，不過來自于2022年9月27日晨時小行星迪莫佛斯表面升騰起的那一片煙塵（見圖8）。

圖8：DART探測器撞向小行星迪莫佛斯后噴濺物四射的藝術(shù)效果圖。圖片來源：ESA–ScienceOffice.org

  • 參考文獻：

[1] https://solarsystem.nasa.gov/asteroids-comets-and-meteors/asteroids/in-depth[2] NASA/JPL CNEOS "Discovery Statistics – Cumulative Totals" https://cneos.jpl.nasa.gov/stats/totals.html[3]孫維新《防衛(wèi)地球的第一擊——飛鏢任務(wù)》, https://udn.com/news/story/7340/6636262?from=udn-relatednews_ch2[4] Justin Ray. Delta Launch Report: Overview of NASA's Deep Impact comet mission. Spaceflight Now. 2005-01-09.[5] New Photos Show the Surprisingly Big Crater Blasted Into Asteroid Ryugu by Japan's Hayabusa2 Probe, George Dvorsky, Gizmodo, 22 May 2019.[6] Didymos—The Ideal Target for DART's Mission, https://dart.jhuapl.edu/Mission/index.php[7] 行星事務(wù)所 《出發(fā)，撞小行星，為恐龍報仇去！》, https://www.zhihu.com/question/501257766[8] Tariq Malik：DART asteroid crash: What time will NASA probe hit Dimorphos on Sept. 26, https://www.space.com/dart-asteroid-impact-crash-what-time[9] Four Things to Know About DART, https://dart.jhuapl.edu/Press-Kit/index.php[10] https://dart.jhuapl.edu/Mission/Impactor-Spacecraft.php[11] Michel, P., et al. (2022). The ESA Hera Mission: Detailed Characterization of the DART Impact Outcome and of the Binary Asteroid (65803) Didymos. The Planetary Science Journal, Volume 3, Number 7 (on open access).[12] Hartmann, W. K., & Davis, D. R. (1975). Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504-515.[13] Canup, R. M., & Asphaug, E. (2001). Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation. Nature, 412(6848), 708.[14] Peter Schulte, et al. (2010). The Chicxulub Asteroid Impact and Mass Extinction at the Cretaceous-Paleogene Boundary, Science, 327(5970): 1214 - 1218. 

制版編輯｜Livan
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