主動(dòng)防御！人類航天器首次深空奔襲撞擊小行星

2022 年 9 月 27 日早上 7 點(diǎn) 14 分，已經(jīng)在太空中長途奔襲 308 天的航天器“飛鏢”（DART，雙小行星改道測(cè)試航天器）順利撞上一顆小行星。在激起大量塵埃物質(zhì)的同時(shí)，也將對(duì)小行星的軌道造成一定影響，這是人類首次進(jìn)行主動(dòng)防御小行星的實(shí)驗(yàn)。

DART撞擊任務(wù)藝術(shù)效果圖。圖片來源：NASA
這次任務(wù)到底是怎么回事？有什么意義？請(qǐng)看下文對(duì)五大問題的詳解。

問題一：為什么要研究主動(dòng)防御？

小行星是人類航天和天文界的超級(jí)“網(wǎng)紅”，無論是專業(yè)機(jī)構(gòu)還是業(yè)余愛好者，都發(fā)現(xiàn)了大量的小行星。國際天文聯(lián)合會(huì) IAU 經(jīng)常以發(fā)現(xiàn)者、名人和機(jī)構(gòu)來命名小行星，它們也因此頻繁登上新聞?lì)^條。

小行星實(shí)在太多了，按照 NASA 實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)，截至 9 月 27 日，人類已經(jīng)追蹤到了 1113527 顆小行星。體積較小、尚未被發(fā)現(xiàn)的小行星，勢(shì)必遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)數(shù)字。

這些小行星里，有一些似乎對(duì)地球不那么“友好”，因?yàn)樗鼈兊能壍琅c地球軌道有交叉，這就意味著二者有可能碰撞。隨著人類觀測(cè)技術(shù)的提升，發(fā)現(xiàn)的近地小行星數(shù)量在迅速攀升，如今已經(jīng)近 30000 顆，且超過 900 顆是千米級(jí)別的大家伙，足以對(duì)地球生命造成致命威脅。

被發(fā)現(xiàn)的近地小行星的數(shù)量也在迅速增加。圖片來源：NASA
僅以 2013 年著名的“俄羅斯車?yán)镅刨e斯克小行星事件”為例，一顆直徑僅 15-17 米的小行星沖進(jìn)地球，就在一個(gè)人口稀少的城市造成了 1491 人傷亡。而一顆千米級(jí)別的小行星，撞擊能量就能遠(yuǎn)超地球上所有核武器加起來的威力。更不用提生物學(xué)界討論許久的恐龍滅絕事件，或許一顆千米級(jí)的小行星撞擊地球就徹底顛覆了地球歷史。

所以，哪怕災(zāi)難級(jí)別的小行星撞擊地球事件發(fā)生概率很低，人類都要做好準(zhǔn)備。在小行星面前，人類是命運(yùn)共同體。

問題二：DART 的目標(biāo)是什么？

世界各航天大國都把小行星研究作為核心項(xiàng)目之一，也出現(xiàn)了諸多任務(wù)。

例如，日本的“隼鳥” 1 號(hào)和 2 號(hào)實(shí)現(xiàn)了人類首次和第二次小行星采樣返回，美國的“冥王”號(hào)也正在運(yùn)送小行星樣本返回地球的途中。也有不少任務(wù)兼職“飛掠”探測(cè)小行星。例如，中國的“嫦娥 2 號(hào)”探測(cè)器于 2012 年 12 月 13 日近距離（最近 3.2 千米）觀測(cè)過“圖塔蒂斯”小行星，還有“羅賽塔”“伽利略”“卡西尼”“新視野號(hào)”等探測(cè)器都有過探測(cè)小行星的歷史。但這些探測(cè)器的任務(wù)普遍圍繞觀測(cè)和采樣展開，并包含主動(dòng)防御小行星。

巨大的DART會(huì)在撞擊的瞬間粉身碎骨，把全部動(dòng)量用以小行星變軌。圖片來源：NASA
按照天體運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理，人類的防御方案并不用直接摧毀小行星（目前也遠(yuǎn)沒有這個(gè)能力），僅需施加外力將它稍微推離威脅地球的軌道，即可讓萬有引力帶著它“失之毫厘，謬以千里”，從而錯(cuò)過與地球的撞擊。而在深空中，一旦錯(cuò)過，就是永別了。

因而這次 DART 的目標(biāo)非常明確：要直接用重達(dá) 610 千克的航天器以超過 6 千米/秒的速度直接撞擊小行星，最大限度改變小行星的軌道，獲得整體測(cè)試效果，并評(píng)估未來人類面臨小行星威脅時(shí)應(yīng)該采取怎樣的應(yīng)對(duì)方案。

問題三：為什么選孿生小行星作為測(cè)試目標(biāo)？

選擇的邏輯主要有 4 條：

1.絕對(duì)安全。無論航天器撞擊后小行星的軌道怎么變化，都不能因?yàn)檫@次測(cè)試把它“推向”地球。

2.小行星大小適中，表面材料合適。這樣航天器就能撞出效果來，否則“蚍蜉撼樹”毫無反應(yīng)，就沒意思了。

3.有精準(zhǔn)軌道預(yù)報(bào)和跟蹤。測(cè)試目標(biāo)必須是人類熟知并長時(shí)間觀測(cè)的小行星，且軌跡簡(jiǎn)單，不會(huì)受到復(fù)雜軌道攝動(dòng)力影響，這樣 DART 在深空“億里奔襲”時(shí)能有足夠高的成功把握。

4.精準(zhǔn)觀測(cè)。撞擊過程必須便于地球和地球附近的航天器連續(xù)集中觀測(cè)，且撞擊后對(duì)軌道的影響要有參照物及時(shí)反映出來，例如軌道周期、軌道距離等。

DART的撞擊可以讓小行星軌道周期發(fā)生改變并被準(zhǔn)確測(cè)量出來。圖片來源：NASA

最終，DART 選擇的目標(biāo)是兩顆孿生小行星 Didymos 和 Dimorphos （希臘神話孿生子/雙胞胎的名字，下文用“大星”和“小星”指代），小星圍繞大星穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，正常情況下，小星運(yùn)動(dòng)的軌道周期是 11.9 小時(shí)，它們距離地球很近，通過大型天文望遠(yuǎn)鏡可以很方便地測(cè)量它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。

小星的個(gè)頭很小，直徑僅 160 米，飛行的引力環(huán)境純粹，但凡它的周期出現(xiàn)一點(diǎn)變化，都可以被地球上的科學(xué)家識(shí)別出來，并用來評(píng)估撞擊的影響。

因而，盡管預(yù)計(jì) DART 撞擊僅能把這個(gè)是自身質(zhì)量 1000 萬倍的“小”星速度改變 0.4 毫米/秒，但已經(jīng)能讓它的軌道周期變化 10 分鐘，對(duì)科學(xué)家們而言足夠了。

問題四：DART 用了哪些新技術(shù)？

問題三中已經(jīng)提到，選擇這兩顆孿生星的重要原因之一就是清楚它們的“容易撞”，但這并不代表這個(gè)從地球出發(fā)飛行近 1 年、跨越數(shù)億千米的“飛鏢”能準(zhǔn)確“扎上”目標(biāo)，航天器也需要采用一系列新技術(shù)，確保那一瞬間的成功。不過由于航天器瞬間要被毀掉，就沒必要帶上太多頂級(jí)科研載荷，DART 所有的新技術(shù)都是圍繞讓它更準(zhǔn)來設(shè)計(jì)的。

這個(gè)“準(zhǔn)”是指什么呢？

1.飛得準(zhǔn)

DART 使用了 NASA 的嶄新 NEXT-C 離子電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用超高電壓電離惰性氣體氙，從而獲得持續(xù)不斷的推力。這套系統(tǒng)耗電驚人，需要用 22 平米的新一代柔性太陽能電池板供能。飛行過程中，還需要太陽和恒星敏感器獲得準(zhǔn)確姿態(tài)。

2.看得準(zhǔn)

DART 的撞擊地點(diǎn)在距離地球 1000 萬千米之外，光速雙向通信延時(shí)超過 1 分鐘，它必須自主完成導(dǎo)航和撞擊，一雙精準(zhǔn)的“眼睛”必不可少?；凇靶乱曇疤?hào)” LORRI 相機(jī)技術(shù)，DART 所攜帶的 DRACO 技術(shù)更進(jìn)一步，識(shí)別的精度、準(zhǔn)度和清晰度更強(qiáng)。有了這雙“眼睛”和定制的自動(dòng)智能導(dǎo)航軟件，DART 能真正憑一己之力完成任務(wù)。

DART在撞擊瞬間的高清畫面準(zhǔn)確傳回。圖片來源：NASA
3.傳得準(zhǔn)時(shí)

DART 任務(wù)的高光時(shí)刻是撞擊的瞬間，但這也是它粉身碎骨的瞬間。不同于常規(guī)任務(wù)可以把數(shù)據(jù)暫存后待機(jī)傳回地球，DART 必須在瞬間傳回大量數(shù)據(jù)，尤其是以 6 千米/秒速度撞擊的過程中，要快速拍攝清晰的小行星近景，“可視即可傳”，直到爆炸的瞬間。因而，NASA 對(duì)這次任務(wù)的直播也很簡(jiǎn)單，就是任務(wù)的主相機(jī)發(fā)回的景象。為這些超高要求保駕護(hù)航的，是一整套高增益天線系統(tǒng) RLSA。這是它的太空首秀，效果也顯而易見。

問題五：如何觀測(cè)整個(gè)撞擊過程和結(jié)果？

由于精準(zhǔn)的軌道預(yù)報(bào)和控制，DART 的撞擊很早就被記錄在科學(xué)界的日程表中，最終有部署在 10 余個(gè)國家和地區(qū)的近 20 臺(tái)地面望遠(yuǎn)鏡參與了這次聯(lián)合觀測(cè)。與此同時(shí)，遠(yuǎn)在太空之中的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，甚至正在太空中飛行的小行星探測(cè)器“露西”，都把鏡頭對(duì)準(zhǔn)了撞擊地點(diǎn)。

但是，這些“遠(yuǎn)觀”都無法真正呈現(xiàn)撞擊的清晰畫面。為此，DART 早在撞擊前 15 天就提前釋放了一個(gè)小衛(wèi)星 LICIACube，它攜帶了兩部高清相機(jī)。它在撞擊完成后 2 分 45 秒準(zhǔn)時(shí)飛抵現(xiàn)場(chǎng)，記錄下撞擊后的情況，隨后滑向深空。

望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果、小衛(wèi)星的高清相機(jī)拍攝結(jié)果及 DART 自己發(fā)回的撞擊前實(shí)時(shí)直播，讓科學(xué)家們能掌握撞擊的全程情況。

“赫拉”號(hào)將會(huì)全面檢測(cè)孿生小行星及撞擊結(jié)果。圖片來源：ESA
為了更進(jìn)一步評(píng)估整體撞擊情況，歐空局正在建造“赫拉”號(hào)航天器，它的目標(biāo)是于 2024 年升空，隨后前往這兩顆孿生小行星，利用各種先進(jìn)的科學(xué)儀器和小衛(wèi)星對(duì)它們進(jìn)行詳細(xì)科學(xué)研究，尤其是評(píng)估 DART 撞擊后對(duì)小星的影響。

正如前文所說，DART 并未攜帶科學(xué)儀器，事實(shí)上也沒有時(shí)間進(jìn)行科學(xué)測(cè)量，但“赫拉”能完美補(bǔ)上這個(gè)缺口。有了它，一個(gè)完整的人類航天探索測(cè)試才算完全閉環(huán)。

人類航天已經(jīng)走過 65 年，隨著科技的進(jìn)步，我們探索宇宙的好奇心逐漸增加，航天任務(wù)也在變得越來越復(fù)雜。地球是人類的搖籃，但我們總要探測(cè)搖籃之外的世界。航天科技，就是走出搖籃、打開宇宙之門的最好鑰匙。

參考：

[1]NASA官網(wǎng)：https://solarsystem.nasa.gov/asteroids-comets-and-meteors/asteroids/in-depth/
[2]NASA官網(wǎng)：https://www.nasa.gov/planetarydefense/dart/dart-news/
[3]ESA官網(wǎng)：https://www.esa.int/Space_Safety/Hera

出品｜科普中國
制作｜太空精釀
監(jiān)制｜中國科普博覽