馬斯克參與“拯救地球”！NASA發(fā)射人類首次行星防御測試任務

6600 萬年前，一顆直徑大約 10 公里的小行星飛速地穿過大氣，在墨西哥尤卡坦半島海岸（ Yucatán Peninsula）留下了一道巨大的傷疤。這次撞擊引起了全球海嘯和大火，恐龍也因此遭遇滅頂之災。

行星撞地球一直是天文學家最關心的問題之一，也是好萊塢大片鐘愛的題材。在“世界末日”（Armageddon）中，硬漢布魯斯威利斯（Bruce Willis ）帶領他的深海石油鉆井團隊在隕石上邊挖洞邊埋炸藥包，最終還為了保衛(wèi)地球而獻出了生命。就在今天，NASA 將拯救地球的電影情節(jié)搬到了現(xiàn)實生活中。

當?shù)貢r間 11 月 23 日 1:21（北京時間 24 日下午 14:21），SpaceX 獵鷹 9 號火箭成功從加利福尼亞州范登堡太空部隊基地（Vandenberg Space Force Base）發(fā)射升空，執(zhí)行了“行星防御”演習任務。

這次演習被稱為“雙小行星偏轉測試”（Double Asteroid Redirection Test，DART），預計耗資3.3億美元。

演習由約翰霍普金斯應用物理實驗室（APL)、噴氣推進實驗室（JPL）、戈達德太空飛行中心（GSFC）、約翰遜空間中心（JSC）、格倫研究中心（GRC）和蘭利研究中心（LARC）共同完成。

NASA 表示，目標小行星 Dimorphos 對地球不構成威脅。但它的運行系統(tǒng)是一個近乎完美的試驗場，可用來測試撞擊小行星是否能有效地改變其運行軌道。雖然在接下來的 100 年里，沒有一顆直徑超過 140 米的小行星會撞擊地球，但截至 2021 年 10 月，只有大約 40% 的小行星被人類發(fā)現(xiàn)。也就是說，還有更多的未知小行星在太空中環(huán)繞，而他們是否會和地球親密接觸也是一個未知數(shù)。

DART 任務示意圖 | 圖片來源：NASA

發(fā)射升空后，DART 將部署 Roll Out Solar Array(ROSA)，為電力推進系統(tǒng)提供所需的太陽能。同時它還將啟動 NASA 研發(fā)的 Evolutionary Xenon Thruster – Commercial (NEXT-C) 太陽能電力推進系統(tǒng)，測試下一代離子發(fā)動機技術。

在飛行大約 10 個月后，火箭上所搭載的機器人探測器將在 2022 年末“壯烈犧牲”，一頭撞向 Dimorphos 小行星。

在執(zhí)行地球保衛(wèi)戰(zhàn)的前 10 天，機器人探測器將發(fā)射由意大利宇航局制造的Cubesat小型衛(wèi)星，對這次演習進行全程記錄。

在撞向目標的前 4 小時，探測器將進入完全自主模式， 利用名為 Draco 的機載相機和復雜的自主導航軟件以 6.6 公里/秒的速度朝目標呼嘯而去。這個速度比戰(zhàn)斗機快 10 倍，所造成的撞擊力足以在 Dimorphos 上留下一個直徑 10 到 20 米的大坑。

NASA 預測，這次碰撞將讓 Dimorphos 的運行速度改變百分之一，并讓它的軌道周期產(chǎn)生數(shù)分鐘的偏差。雖然改變只有幾分鐘，但科學家可以在地球上用先進的望遠鏡觀察和測量。

DART 示意圖 | 圖片來源：NASA

除了這次 DART 演習所采用的撞擊方法之外，科學家們還提出了很多其他的方法來解除小行星威脅。例如用激光把它們蒸發(fā)掉，利用航天器的引力改變它們的航線等，更狠的招兒還是用炸藥把它們炸掉。

10 月 31 日，Philip Lubin 和 Alexander Cohen向journal Advances in Space Research 提交了一篇長達 131 頁的論文，被稱為行星攻擊之 π 計劃。

π 計劃的主要構想是將直徑 10-30 厘米，裝滿炸藥的圓柱形金屬棒設置在小行星的軌道上。當小行星以極快的速度撞擊它們時，便會被炸成大量直徑約 10 米或更小的碎片。爆炸所產(chǎn)生的能量將被轉化為熱、聲和光。屆時，大氣層會像防彈衣一樣蒸發(fā)碎片，減少影響。Philip Lubin 預估，爆炸所產(chǎn)生的聲波沖擊波和相關的光和熱仍然會對地面造成一些損害， 但微乎其微 。最重要的是和“行星防御”計劃相比，π 計劃在應對緊急情況時更有優(yōu)勢：“ 偏轉小行星的問題是，它需要的響應時間非常受限。換句話說，你需要在小行星接近地球很久之前就把它的軌道偏移?！?/p>

相比之下，π 計劃所需的相應時間則短的多。根據(jù)作者的計算，直徑小于 50 米的小行星可以在撞擊地球前 5 小時被成功攔截。直徑小于 100 米的小行星可以在撞擊地球前一天被攔截。直徑小于 370 米的小行星可以在撞擊地球前 10 天被攔截。而直徑 20 米以下的小行星在撞擊地球前 100 秒就可以搞定了。

將要壯烈犧牲的機器人探測器 | 圖片來源：NASA

在過去的一百多年里，地球曾受到過數(shù)次小行星的撞擊，但所幸都沒有造成重大人員傷亡。

最近的一次隕星墜落事件發(fā)生在我們的鄰國俄羅斯。2013 年 2 月 15 日，一顆直徑約19 米的小行星在俄羅斯車里雅賓斯克市（Chelyabinsk）上空以 20° 的淺角和約65000 km/h（53 倍音速）的速度突破大氣層。最終在劇烈燃燒了約 30 秒后在距離地面 20-25 公里處的高空解體爆炸。巨大的能量傳達到地面，導致方圓數(shù)千平方公里的7000余座建筑物受損，因此受傷的民眾多達 1500-2000 余人。

chelyabinsk event | 圖片來源：紐約時報

天文學家預測，2029 年 4 月 13 日，一顆名為 Apophis 的直徑為 370 米寬的小行星將與地球擦身而過 。2036 年、2051 年、2066 年它將再次和地球親密接觸。

雖然在 2029 年地球不會有任何危險，但 Apophis 一次次的光顧還是讓很多天文學家捏一把汗。Philip Lubin 甚至將其比喻為一顆在頭頂飛嘯而過的子彈。不同的是，這顆“子彈”攜帶的撞擊能量相當于世界上所有核武庫的總和。

更重要的是，天文學家認為 Apophis 這類的小行星會構成“引力鑰匙孔”威脅（gravitational keyhole）。

這是指在近距離飛行期間，它們可能會穿越近地空間的一個特定的區(qū)域。在那里，地球引力會調(diào)整它們的軌跡，從而導致未來與地球的撞擊。因此不論是 DART 演習的防御方法，還是 π 計劃的攻擊方式，盡早對小行星帶來的威脅做好萬全準備總不是一件壞事。

畢竟地球是人類和萬物共同的家園。

參考資料：
https://www.nasa.gov/planetarydefense/dart
https://phys.org/news/2021-10-physicists-method-defending-earth-cosmic.html
https://www.deepspace.ucsb.edu/projects/pi-terminal-planetary-defense
https://www.scientificamerican.com/article/planetary-defense-is-good-but-is-planetary-offense-better/
https://www.deepspace.ucsb.edu/wp-content/uploads/2021/10/PI-Terminal-Planetary-Defense.pdf
https://www.science.org/content/article/nasa-s-first-planetary-defense-mission-will-nudge-asteroid

撰文：劉芳

編審：HS

排版：李雪薇

來源：學術頭條