投向小行星的“飛鏢”

李和昌

一顆直徑約13米的小行星有1/4166的概率在2022年5月6日撞向地球。不速之客2年之后造訪的消息很快登上了微博熱搜。對(duì)地球來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)不速之客的到來(lái)，都不能掉以輕心。未來(lái)如何抵御可能對(duì)地球造成較大撞擊威脅的小行星？多年來(lái)，各國(guó)科學(xué)家都在積極尋找方法。例如，2005年7月4日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）“深度撞擊”號(hào)發(fā)射的撞擊艙成功撞擊“坦普爾1號(hào)”彗星，以研究該彗核的成分，同時(shí)間接嘗試防御小行星撞擊手段。

未雨綢繆

一切就從嘗試改道一顆小行星開(kāi)始。那可不是什么普通的小石頭！這顆流星體直徑達(dá)160米，重約500萬(wàn)噸，以1000千米/小時(shí)的速度向地球襲來(lái)，足以把像巴黎這樣的大都會(huì)從地圖上抹去。但請(qǐng)放心，它并不會(huì)對(duì)人類構(gòu)成威脅：按目前的運(yùn)行軌跡，它離地球最近時(shí)也還有1050萬(wàn)千米。被正式列入NASA官方計(jì)劃的“雙小行星重定向測(cè)試計(jì)劃（DART，意為飛鏢）”事實(shí)上是一次演練，這個(gè)由NASA設(shè)計(jì)的探測(cè)器將于2021年執(zhí)行任務(wù)。

這次全真測(cè)試有望在未來(lái)拯救全人類。當(dāng)終結(jié)人類的流星體真的沖向地球時(shí)，此次試射能讓我們提前做好準(zhǔn)備。因?yàn)榇祟悶?zāi)難場(chǎng)景可不是科幻電影，這一天終將到來(lái)，必須未雨綢繆，以免大難臨頭時(shí)措手不及，因?yàn)椴恢滥苡卸嗌贂r(shí)間來(lái)應(yīng)對(duì)。更何況一直以來(lái)，小行星撞擊地球的威脅被嚴(yán)重低估，而如今計(jì)算分析的結(jié)果就擺在眼前，讓人不得不正視。毫無(wú)疑問(wèn)，威脅的確存在。雖然追蹤危險(xiǎn)小行星的太空監(jiān)視系統(tǒng)二十多年前就已啟用，但這般大小的天體中只有不到一半受到監(jiān)控，這更引起科學(xué)家的高度重視。此類小行星體積小，顏色暗，很難被發(fā)現(xiàn)，所以災(zāi)難有可能在毫無(wú)預(yù)警的情況下出現(xiàn)，置人類于絕境。當(dāng)然，地球自誕生起就習(xí)慣了這樣的“奇兵突襲”，想必能一如既往“絕境逢生”。但人類的命運(yùn)就難說(shuō)，等待我們的結(jié)局也許與恐龍相仿。6500萬(wàn)年前，因?yàn)橐粔K直徑達(dá)1萬(wàn)米的巨型隕石擊中現(xiàn)今墨西哥附近的區(qū)域，導(dǎo)致恐龍這一物種從地球上徹底消失。但與那些不幸的恐龍不同，人類不會(huì)束手待斃，在目前已知的全部自然災(zāi)害一一地震、海嘯、颶風(fēng)等之中，這是唯一一個(gè)人類有望預(yù)測(cè)到并規(guī)避的！地球望遠(yuǎn)鏡無(wú)法覆蓋太空的所有區(qū)域，尤其是靠近太陽(yáng)的地方。它們只能觀察到直徑大于100米的天體，并只有在晚上才能發(fā)揮作用。所以這些望遠(yuǎn)鏡只能發(fā)現(xiàn)一半對(duì)地球構(gòu)成潛在威脅的小行星。人類要想真正將命運(yùn)掌握在自己手里，還需要數(shù)年的不懈努力。1969年7月20日下午4時(shí)17分42秒，當(dāng)人類在月球上跨出第一步時(shí)，研究人員就已開(kāi)始設(shè)想在火箭上搭載一枚原子彈，用來(lái)對(duì)付小行星。自那以后，科學(xué)家從未停止過(guò)暢想，積極尋找應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的其他方案。然而相關(guān)方案不是太冒險(xiǎn)，就是費(fèi)用高昂，甚至不切實(shí)際，于是均被無(wú)限期擱置。如今，NASA終于決定啟動(dòng)DART計(jì)劃，該計(jì)劃在12年前由歐洲空間局（ESA）率先提出，但因?yàn)轭A(yù)算緊張而被束之高閣。

太空甩“飛鏢”

首個(gè)反小行星武器原型的原理極其簡(jiǎn)單：向小行星發(fā)射一枚火箭，由撞擊使小行星改變方向。簡(jiǎn)言之，NASA將拯救全人類的希望寄托在一局“宇宙桌球”上。該技術(shù)被稱為動(dòng)能撞擊器，是目前最成熟的方案，適合應(yīng)對(duì)最可能出現(xiàn)的、來(lái)自直徑不足數(shù)百米小行星的那類威脅。

這一致命武器究竟長(zhǎng)什么樣？第一眼望去，它和科學(xué)家平時(shí)送往銀河系邊緣的不起眼探測(cè)器沒(méi)什么兩樣：鋁制外殼外加光學(xué)儀器和太陽(yáng)能板。實(shí)際上，這一重達(dá)560千克的撞錘無(wú)須太多裝飾，它依靠的是動(dòng)能和無(wú)與倫比的精準(zhǔn)度。撞擊器先是需要在一年半的時(shí)間內(nèi)飛越1000萬(wàn)千米并達(dá)到6千米/秒的驚人速度（比沖鋒槍發(fā)射出的子彈還要快10倍），之后便會(huì)嘗試撞擊一顆直徑為160米的小行星Didymos B，將自身的一部分能量傳遞給后者。因?yàn)樽矒羝鞯馁|(zhì)量是其目標(biāo)的850萬(wàn)分之一，所以該行動(dòng)猶如蚍蜉撼樹(shù)：按實(shí)際比例來(lái)看，就好比用一粒沙子去推動(dòng)一顆桌球！但根據(jù)計(jì)算，這手“彈指神通”應(yīng)該能發(fā)揮作用：只要行動(dòng)足夠早，至少在撞擊前數(shù)年就啟動(dòng)，開(kāi)始輕微的改向會(huì)隨著時(shí)間積累發(fā)揮巨大作用。這也是DART任務(wù)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

為此，天文學(xué)家篩選出了最佳目標(biāo)：Didymos B，它是在1996年被發(fā)現(xiàn)的一對(duì)小行星中的一顆。其呢稱為Didymoon，因?yàn)樗男袨楠q如一顆衛(wèi)星：始終圍繞與其相距1千多米、直徑為750米的小行星Didymos A運(yùn)行。像這樣的多天體系統(tǒng)只占行星的15%，而科學(xué)家將它作為目標(biāo)是為了方便進(jìn)行操作評(píng)估。對(duì)偏轉(zhuǎn)的測(cè)算理應(yīng)更快些：若對(duì)象是一顆衛(wèi)星只需要幾天或幾個(gè)星期，而一顆尋常的小行星則需要好幾個(gè)月的時(shí)間。實(shí)際上，如果一切如預(yù)期般順利，撞擊會(huì)令這顆衛(wèi)星圍繞Didymos A的轉(zhuǎn)速減少0.5毫米/秒，這將導(dǎo)致前者繞后者一圉的時(shí)間從11.92小時(shí)減少到11.83小時(shí)。屆時(shí)，地球和該衛(wèi)星的距離最近，我們可以從地球觀察撞擊過(guò)程及其效果，通過(guò)全球各地的望遠(yuǎn)鏡一起來(lái)評(píng)估。選擇該衛(wèi)星的最大優(yōu)勢(shì)在于該運(yùn)行體系的軌跡幾乎不受影響，所以，這一操作絕對(duì)不會(huì)弄巧成導(dǎo)致原本與人類相安無(wú)事的小行星反過(guò)來(lái)撞擊地球。最主要的風(fēng)險(xiǎn)，也就是探測(cè)器錯(cuò)過(guò)小行星。

同時(shí)間賽跑

貌似一錘定音的桌球初看輕而易舉，但事實(shí)上它需要一流的技術(shù)支持。首先，NASA打算利用DART測(cè)試全新一代的離子推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率要比前一代強(qiáng)3倍。此外科學(xué)家想方設(shè)法節(jié)省燃料，利用太陽(yáng)能板為發(fā)動(dòng)機(jī)提供必要的能量，因此，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到預(yù)期速度的同時(shí)也不增加發(fā)射的成本。這一招不可謂不冒險(xiǎn)。

這還不是DART任務(wù)的主要挑戰(zhàn)，它的簡(jiǎn)稱恰與英文的飛鏢一詞相同：任務(wù)是否成功取決于撞擊是否精準(zhǔn)。然而，在太空里用探測(cè)器撞擊天體還是一件稀奇的事情。一般來(lái)說(shuō)，探測(cè)器會(huì)平緩地進(jìn)入軌道，該計(jì)劃中的探測(cè)器則恰好相反，它會(huì)像炮彈一樣橫空而至，相對(duì)速度高達(dá)21600千米/小時(shí)。2005年7月，科學(xué)家已成功用“深度撞擊”號(hào)探測(cè)器撞擊了“坦普爾1號(hào)”彗星，以分析撞擊彈射而出的彗星塵埃的成分。但是當(dāng)時(shí)的目標(biāo)比Didymoon大40倍，而且?guī)缀鯖](méi)有因此改變軌道。簡(jiǎn)言之，DART不僅要成功瞄準(zhǔn)迄今為止從未嘗試過(guò)的最小天體，還得命中靶心，因?yàn)镈idymoon和所有小行星一樣會(huì)自轉(zhuǎn)。如果撞擊器沒(méi)有精準(zhǔn)命中小行星的共同質(zhì)量中心就有可能進(jìn)一步干擾其自轉(zhuǎn)，而不是使它偏離軌道。

這顆太空巨石離人類太遙遠(yuǎn)，顏色太暗淡，我們?cè)谕h(yuǎn)鏡里只能看到一片低像素的模糊星團(tuán)。而且科學(xué)家無(wú)法在地球上實(shí)時(shí)領(lǐng)航。撞擊器只能依靠它自身的高精度自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。不可否認(rèn)，這就是該任務(wù)的主要挑戰(zhàn)。撞擊器的速度高達(dá)21600千米/小時(shí)，所以實(shí)際操作幾乎沒(méi)有任何退路。要等到撞擊前幾小時(shí)，Didymos B在相機(jī)上的成像質(zhì)量才會(huì)超過(guò)1個(gè)像素。探測(cè)器要等到撞擊前90分鐘，才能嘗試將其瞄準(zhǔn)線鎖定于Didymoon。與其相鄰并且體積大得多的Didymos A也為該任務(wù)增加了難度，因?yàn)樘綔y(cè)器還要區(qū)分這兩個(gè)天體。這樣一來(lái)，它必須在撞擊前2分鐘調(diào)整彈道，這還不算，探測(cè)器還必須在撞擊前將這些高分辨率的圖像發(fā)送回地球，為研究人員展示撞擊表面的入射角，便于研究人員評(píng)估該任務(wù)是否取得預(yù)期效果。這是真正的挑戰(zhàn)，因?yàn)榉洲p率最高的最佳圖像會(huì)在撞擊前的最后幾秒鐘拍下，所以只剩下極短的時(shí)間供探測(cè)器發(fā)送數(shù)據(jù)。2022年年底就可知曉DART是否圓滿完成使命，人類是否能首次人工撞擊一顆小行星并杜絕其親密接觸地球的一切可能。

（責(zé)任編輯：曹偉 責(zé)任校對(duì)：白玉磊）