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NASA太空船为何要一直撞击小行星

在我们星球的历史上,地球可能第一次具备了在小行星面前的防御能力。

美国国家航空太空总署(NASA)于当地时间26日成功进行了双小行星重定向测试(double asteroid redirection test, 简称DART),执行任务的宇宙飞船成功撞击了一颗名为迪莫弗斯(Dimorphos)的小行星,目的是改变它的轨道,验证通过动能撞击方式偏转近地小行星的可能性。如果迪莫弗斯的轨道发生改变,这将是人类首次改变太空中自然天体的运动。

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小行星撞地球,地球能反击吗?

太阳系中许多大大小小的成员身上都带有小行星撞击的伤痕,事实上,地球生命演化初期就受到了彗星和小行星撞击的影响。对地球人来说,最著名的一次是在6600万年前,一颗6英里宽的小行星撞击尤卡坦半岛,引发了大规模的物种灭绝,非鸟类恐龙因此消失。

如今,在我们星球的历史上,地球可能第一次具备了在小行星面前的防御能力。

左:2021年11月,美国加州樊登堡空军基地内的猎鹰9号火箭。

PHOTOGRAPH BY NASA/JOHNS HOPKINS APL/ED WHITMAN

右:2021年11月,猎鹰9号火箭将DART送上太空,这是人类历史上第一个旨在保护地球免受小行星潜在威胁的测试任务。

PHOTOGRAPH BY SPACEX

2021年11月23日,NASA发射了DART飞船。2022年9月26日晚7点14分,这辆高尔夫球车大小的宇宙飞船以超过2.4万公里的时速,撞上了160米宽的小行星迪莫弗斯。迪莫弗斯以11小时55分钟的周期绕着另一颗更大的小行星迪戴弗斯运行,科学家预计,如果撞击达到预期效果,迪莫弗斯的轨道将发生变化,旋转周期将会缩短数十秒至数分钟

天文学家认为有数以千计的小行星都足以对地球产生致命影响,NASA的DART计划希望通过动能撞击,对这些小行星的运行轨道进行微调,避免它们与地球相交,从而将可能的风险消弭于无形。

这是一次耗资3.3亿美元的“自杀式袭击”,DART在这次撞击中被毁,而它的“殉难”承载着重大意义:测试可用于避免未来小行星撞击的技术手段。不同于地震或火山,小行星撞地球这样的“天灾”提前多年就能预测。科学家判断,数百年内都不会有已知的小行星与地球相撞,但地球进入“太空靶场”只是时间问题,与小行星的碰撞迟早会发生。

“在好莱坞电影里,小行星撞地球这样的灾难极具戏剧性和娱乐性。现实世界中我们可不想身处这种情况。”NASA行星防御官员林德利·约翰逊(Lindley Johnson)如是说。

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近地天体的潜在威胁

DART项目并非行星防御计划的全部。提前预测灾难到来、为人类赢得足够的时间才是关键。数十年来,NASA和其他太空机构一直在寻找那些路径可能穿过地球轨道的小行星,预测它们未来的运动轨迹,以了解人类可能会面临的风险。

到目前为止,天文学家已经发现了890颗直径超过1公里的近地小行星,占到了预期总数的95%以上。至少在接下来的几个世纪之中,它们都不会构成撞击风险。但个头更小的天体也不能忽视:小至140米宽的小行星仍可能摧毁美国一个州那么大的区域,其中很多都逃过了人类的眼睛。计算机模型显示,大约有2.5万颗直径达到140米的近地小行星,而截至2021年底,我们只发现了大约1万颗。

在这幅模拟图像中,NASA的DART宇宙飞船(右)撞击小行星迪莫弗斯(左),右下角的意大利宇航局飞行器LICIACube进行全程“目击”。

IMAGE B YDART Animation. Credit: NASA/Johns Hopkins APL

未来NASA计划发射的高科技“火眼金睛”——近地天体测量仪,能帮助人们更快发现这些太空中的小小流浪儿。如果有朝一日,天文学家发现其中一颗小行星的轨道将与地球相交,人类采取的策略就将取决于我们有多少提前量。

如果距离大型小行星撞击仅有几个月时才发现,我们唯一的选择就是在该天体旁边引爆核武器,爆炸产生的X射线会蒸发小行星表面物质,产生推力来改变它的轨道。

如果提前好几年就预测到一颗不太大的小行星将撞击地球,那么就不需要动用核武器了。届时就可以派出像DART这样的高速宇宙飞船与小行星相撞,稍微调整其轨道,一点微小的偏差就足以解除地球的危机了。

负责建造DART的团队花了十多年的时间才确定这次“自杀式袭击”的安全性:毕竟,在太阳系内改变天体运行轨道可能产生无法预见的后果,比如无意中反而导致本来无害的天体轨道与地球相交。为了避免这种风险,DART选择了无辜的迪莫弗斯作为打击目标,仅调整它绕着“伴侣”迪戴弗斯转的轨道,而它绕太阳公转的轨道不受影响。此外,选择迪莫弗斯也是为了研究它所在的双星系统。大约10%-15%的小行星都是双星系统,因此地球未来面对的主要小行星威胁很可能是双星。

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DART“牺牲”之后呢?

在DART旅程的大部分时间,它都没什么可做的:尽管近一年前就已经出发,但DART一直要到撞击前4个小时才能看到迪戴弗斯。至于撞击目标迪莫弗斯,要到撞击前1个小时才出现在DART的视野;撞击前2分钟、距离迪莫弗斯500英里时,这颗小行星在DART眼中只有41个像素大。用任务系统工程师艾琳娜·亚当斯(Elena Adams)的话来说,这就像在纽约市的肯尼迪机场,往华盛顿杜勒斯机场扔飞镖。

与好莱坞大片中拯救地球的情节不同,DART并不会炸毁迪莫弗斯,只是轻轻一推。目前,科研团队只知道DART击中了目标。迪莫弗斯究竟是一大块巨石还是一个松散的瓦砾堆、DART是坠落在巨石上还是软质土壤上,对撞击效果都将有重要影响。由于迪莫弗斯的质量、形状和成分仍然未知,暂时不能准确了解这一推究竟能产生多大的作用。

DART在接触迪莫弗斯前拍摄的最后影像。

PHOTOGRAPH BY NASA TV

DART在最终“壮烈牺牲”之前,将尽可能多地回传迪莫弗斯的图像,记录其地形地貌,方便后续评估撞击效果。未来几周之内,布署在七大洲的地面望远镜都将盯紧迪莫弗斯,精确测量它的运行轨道。最终,“自杀式袭击”的成功标准是将迪莫弗斯的旋转周期缩短73秒,而DART团队预测,他们的小勇士最多可以将迪莫弗斯的脚步拖慢10分钟之多。

DART的最后时刻并不孤单。意大利宇航局建造的小型宇宙飞船LICIACube立方星在撞击后165秒掠过迪莫弗斯,拍摄小行星受撞击的表面和喷射出的碎片羽流,甚至捕捉到了撞击产生的闪光。几周后,这些“坠机现场”的数据和影像都将回传到地球,用于准确计算DART给迪莫弗斯带来了多少动量。NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜、哈勃太空望远镜、以及正在前往木星小行星群的航天器“露西”也都在密切观察双星系统的亮度变化,为后续研究提供关键信息。

另外,欧洲航天局将于2024年发射探测器“赫拉”,仔细调查迪莫弗斯受撞击的情况,详细观察和记录撞击效果。正如DART任务协调负责人南希·查博特(Nancy Chabot)所说,DART本身不仅仅是目的,“它是一个全新的开始……这只是第一步,但我们从科幻小说走向了科学现实,这不是很令人激动吗?”

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