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打响太空保卫战的第一枪

晰数塔互联网快讯
2023-04-26 14:14

本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：猫又，题图来自：《星球大战3：绝地归来》

电影《独行月球》中独孤月带着核弹“宇宙之锤”冲向小行星π+，以阻止小行星撞上地球。/ 《独行月球》2022

想象一下，如果有一天，一颗小行星朝着地球飞来，我们能做什么来阻止它？这不是科幻电影的情节，而是真实发生在我们眼前的太空历史。

去年，经过306天的漫长飞行，美国航天局（NASA）“双小行星重定向测试”（DART）任务飞行器在航行了数百万千米后，最终成功瞄准了目标，以超过时速21000千米的速度迎头撞上直径约为780米的小行星Dimorphos。这一历史性时刻标志着人类主动打响太空保卫战的第一枪。

“双小行星重定向测试”（DART）任务海报 / NASA

小行星是太阳系中的一种天体，它们的大小、形状、成分和轨道各不相同，其中有些小行星会与地球的轨道相交，被称为近地小行星（NEA）。近地小行星的数量众多，目前已发现的就有近3万颗，其中一部分已被认为是潜在威胁天体（PHA），因为它们的轨道距离地球很近，而且直径足够大，如果撞击地球，可能会造成灾难性的后果。

根据小行星的直径和撞击速度，它们撞击地球时释放的能量可以达到几千兆吨至数百亿兆吨当量的TNT炸药。这样的能量足以摧毁一个城市、一个国家甚至整个文明。小行星撞击地球还会产生冲击波、热辐射、火球、尘埃云等副作用，引发地震、海啸、火山爆发、气候变化等灾害，对生物圈和生态系统造成严重破坏。

历史上，小行星撞击地球已经导致了多次生物灭绝事件，最著名的是6500万年前的K-T事件，一颗直径约为10公里的小行星撞击了墨西哥半岛，释放了约1亿兆吨当量的TNT炸药的能量，造成了全球性的环境灾变和恐龙等大型生物的灭绝。科学家们估计，每隔大约1亿年就会有一次类似的小行星撞击地球事件发生。

不同大小(直径3米~9 000米) 的近地天体撞击地球的平均时间间隔。/《暗物质与恐龙》

因此，近地小行星撞击地球是人类长期面临的重大潜在威胁，需要及时发现、监测、预警和防御。为了保护地球免受小行星的威胁，国际社会已经开展了一系列的科学研究和空间探测任务。

“肇事者”DART

近期，著名国际学术期刊《自然》发表了五篇聚焦美国航天局（NASA）对一颗近地小行星进行的“双小行星重定向测试”（DART）任务的观测相关研究进展的文章。2022年9月26日，NASA/ESA（美国航天局/欧洲航天局）的哈勃空间望远镜拍摄下了小行星Dimorphos被重约545千克的航天器故意撞击时的一系列快速变化照片。

Dimorphos被航天器撞击时的一系列快速变化。/ NASA/ESA

美国航天局的DART任务旨在测试一种对抗近地天体（NEO）的行星防御方法，即通过飞船撞击小行星来改变其轨道。该任务的目标是通过撞击一个名为Didymos的小行星上一颗名为Dimorphos的卫星，以期成功改变其运行轨道。当然，这两颗小行星实际上都不会对地球构成撞击威胁。

DART任务就像是用一颗子弹去打一个飞速旋转的乒乓球，试图让它改变方向或速度。如果该技术被证明有效，它将成为保护地球免受潜在行星撞击的一项重要工具。

DART任务示意图。/ NASA

Didymos是一个希腊词，意为“双胞胎”。在DART任务中，Didymos是指一个由主小行星Didymos A（译为“孪大星”）和它的卫星Dimorphos（译为“孪小星”）组成的双小行星系统。DART任务于2021年11月24日从美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射升空，并成功于2022年9月26日与孪小星Dimorphos发生碰撞。DART 撞击器以每小时 21，000 千米的速度迎头撞向小行星，从小行星上炸掉了超过 900，000 公斤的灰尘。

碰撞发生之前，孪小星大约每11小时55分钟绕Didymos旋转一圈。实验使小行星轨道缩短了约32分钟，远超过预期的73秒，这相当于它的轨道每年偏离了1.5厘米。虽然这听起来微不足道，但对于小行星而言，已经是命运的一个巨大变化。在碰撞发生前，半生小行星已经被潮汐锁定，科学家们现在还不确定这种潮汐锁定是否受到了影响。

值得一提的是，哈勃空间望远镜记录下了DART航天器撞击小行星后的几天，这一尘埃和碎片分散成复杂模式的过程。影像展示了坠毁后的三个重叠阶段：首先形成的是喷射锥，接着是碎片的螺旋漩涡沿着小行星的轨道围绕其伴生小行星被捕获，最后是尾部在阳光的压力下扫过小行星后面。这些物质没有落回小行星，而是径直被抛洒向太空，形成了彗星一般的尾迹。DART的碰撞实验不仅证实了行星防御方法的可行性，同时也为天文学家们了解小行星的结构和来源提供了帮助。

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哈勃空间望远镜拍下的撞击时刻。/ NASA/ESA

“事故调查员”Hera

欧洲航天局计划于2024年10月发射名为Hera的航天器，任务的目标是到达Dimorphos小行星，对撞击后的孪小星进行详细的研究，以了解撞击对小行星的物理和化学特性产生的影响。科学家们通过收集和分析数据，希望能够更好地理解小行星的构成和行为，并开发出更有效的小行星防御技术。

HERA任务海报。/ ESA

Hera将使用多种仪器和传感器，包括照相机、激光测距仪、毫米波雷达和X射线光谱仪等，以收集有关小行星的各种数据。这些数据将包括小行星的形状、大小、密度、物理和化学组成等信息，以及撞击对小行星的后续影响。

Hera任务不会像DART那样直接撞击小行星，而是会像一个侦探一样，在距离小行星几百米的地方飞行，并用各种仪器进行详细观察和测量DART 撞击事件产生的效果。这样做的目的是验证DART任务是否真的有效，并为未来可能面临的小行星威胁提供更多的信息和策略。这样做的好处是，科学家们可以在没有直接影响小行星的情况下，获取更准确和详细的数据，来了解撞击后都发生了什么。

Hera探测器调查栾小星插画。/ ESA

Hera计划乘坐SpaceX 火箭升空，并于2026年底抵达Dimorphos和Didymos，进行为期约六个月的观光。然后，如果条件允许，Hera探测器还将尝试在Didymos上着陆。Hera还会搭载两名乘客：一对名为Milani和Juventas的小型探测器。其中Milani将研究小行星的外观，Juventas则探测小行星的内部。有了这三台探测器，科学家们可以在Dimorphos上获得DART撞击现场不同角度的观测数据。