DART：開啟人類行星防御歷史篇章

文/徐蒙

北京時間2022年9月27日清晨7點14分，由美國宇航局發(fā)射的一顆名為“雙小行星重定向測試任務(wù)”（DART）的探測器，在歷經(jīng)10個月的太空飛行后，抵達(dá)了此次任務(wù)的終點站——一個由兩顆小行星狄迪莫斯（Didymos）和狄莫佛斯（Dimorphos）組成的雙小行星系統(tǒng)附近，最終以6.6千米/秒高速撞向小行星狄莫佛斯，結(jié)束了自己短暫而引人矚目的一生，為人類的行星防御戰(zhàn)揭開了歷史性的篇章。

▲ 撞擊發(fā)生前，DART探測器近距離拍攝到的小行星狄莫佛斯（直徑約160米），幾秒后，探測器撞向小行星并停止工作

不同于過去其他近地小行星探測器，例如探訪了小行星“龍宮”的日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的“隼鳥2號”和探訪了小行星“貝努”的美國宇航局“奧西里斯-雷克斯”，DART探測器有著特殊的使命：它的主要目標(biāo)不是探索小行星本身，而是試驗如何“趕走”小行星——這是人類首次行星防御演習(xí)。

地球，籠罩在小行星的威脅之下

我們賴以生存的地球，隨時可能面臨小行星和彗星從天而降的襲擊。事實上，地球自誕生以來，就沒少挨過撞。

尤其是在太陽系暴力火拼的早期，大型撞擊事件非常頻繁。我們再熟悉不過的月球，就可能誕生于大約45億年前的一次劇烈撞擊：一顆火星大小的天體傾斜撞上了尚未完全長成的“雛形”地球，撞擊產(chǎn)生的碎屑重新聚集吸積起來，形成了如今的月球。幸運的是，這次撞擊還沒有大到足以粉碎地球，僅僅撞碎了地球外層的一部分。

不過別擔(dān)心，隨著太陽系趨于平靜，大行星們都找到了自己穩(wěn)定的軌道，毀天滅地的大型撞擊事件也就漸漸絕跡了?；蛟S正是因為有這樣相對安寧的環(huán)境，才有了地球上生命誕生繁衍的條件，才有了如今生機(jī)勃勃的地球。

但個頭在10千米級別的小行星依然會襲擊地球，而且足以造成全球性的物種大滅絕。上一次這樣的大撞擊可能發(fā)生于約6600萬年前，那時人類還沒有誕生，但恐龍可能深受其害。

據(jù)推測，那顆巨大的小行星（也可能是彗星）在墨西哥尤卡坦半島撞出了一個直徑約200千米的隕石坑，并且劇烈影響了當(dāng)時整個地球的大氣和生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而引起了包括大部分恐龍在內(nèi)的眾多動植物的滅絕——這就是地球上第五次生物大滅絕事件，史稱“白堊紀(jì)末大滅絕”。

只是，這么大個頭的小行星數(shù)目不多，撞上地球的概率也就非常低：直徑10千米級的小行星撞地球事件平均每1億~2億年才會發(fā)生一次；直徑1千米級別的小行星撞擊平均每50萬年才會發(fā)生一次。

個頭越小的小行星，雖然對地球的危害越小，但數(shù)目也越多，撞上地球的頻率也就越高，麻煩的是，地基望遠(yuǎn)鏡觀測到它們的難度也越大。隨著巡天觀測技術(shù)的提升，天文學(xué)家們已經(jīng)監(jiān)測到越來越多小行星的蹤跡，尤其是那些軌道會和地球接近的“近地小行星”（NEOs）。

直徑140米以上，軌道與地球軌道相交的近地小行星，與人類的存亡尤為息息相關(guān)：這個尺寸的小行星完全可能毀滅一座城市，引起大量人員傷亡——而這個尺寸的小行星，平均每2萬年光顧地球一次，概率上又無法忽略不計。

直徑20多米的小行星，雖然大多數(shù)情況下武力值不算強(qiáng)，但萬一不巧撞上人口密集的大城市，也能造成不小的危害。也就不到10年前的2013年，俄羅斯的車?yán)镅刨e斯克市就發(fā)生過這樣的事故：一顆直徑近20米小行星來襲，空爆和沖擊波造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失和1400多人受傷，但所幸無人死亡。

更危險的是，這樣大小的小行星，平均每100年就會光顧地球一次——如果不巧撞在了大城市，那我們或者我們的子孫，有生之年就可能會遇到。

▲ DART任務(wù)的海報

總之，對地球人來說，這份來自小行星的威脅并不是杞人憂天，而是實實在在可能發(fā)生的。

只是千百年來，人類能做的只有被動地希望這樣的事不要發(fā)生，而隨著人類深空探測技術(shù)的發(fā)展，是拿回主動權(quán)的時候了。DART探測器，就是開始。

反擊吧，地球人！

這倒也不是說地球到了生死存亡的關(guān)鍵時刻，一顆大個頭的小行星馬上就要撞過來了，而事實上，目前的小行星觀測數(shù)據(jù)顯示，至少接下來的100年里，地球都挺安全的。但這喘息的間隙，恰恰是人類努力發(fā)展科技的好時機(jī)。

▲ 小行星空爆和沖擊波震碎的車?yán)镅刨e斯克劇院玻璃

如果將來有一天，預(yù)知一顆直徑幾十甚至100多米的小行星真的快要撞上地球了，人類要如何抵御這顆小行星，要如何自救？現(xiàn)在，我們還有足夠長的時間，來為應(yīng)對這一天積累實力，做好準(zhǔn)備。

想要保護(hù)地球不被小行星撞傷，最直接的思路有兩種：一是改變小行星的軌道，例如把小行星撞歪、推動、拖走；二是直接摧毀小行星，例如用核彈把小行星炸毀。

DART探測器打算測試的，就是目前的技術(shù)水平下最容易實現(xiàn)的一種思路：通過自殺式撞擊，讓小行星發(fā)生偏轉(zhuǎn)。正如探測器的縮寫和任務(wù)徽章上的“飛鏢”（DART）一般，DART探測器將會以最悲壯的方式結(jié)束自己的生命：似利箭，迎頭相撞，一往無前。不過從技術(shù)上來說，撞上小行星的難度不大。畢竟，人類已經(jīng)有過兩次成功撞擊小行星/彗星的經(jīng)驗了。

▲ 北京時間2022年9月27日，LICIACube在撞擊實施的幾分鐘后拍攝的兩顆小行星，狄莫佛斯四周可見明顯的撞擊產(chǎn)物飛濺出來。

一次是2005年，深度撞擊號探測器釋放撞擊器，撞了坦普爾1號彗星的彗核；另一次是2019年，隼鳥2號探測器釋放撞擊器在小行星龍宮上撞出了一個坑。

難點在于，探測器和小行星的質(zhì)量差距如此懸殊，“蚍蜉”撞“大樹”，要如何撞才能達(dá)到“四兩撥千斤”的效果，讓小行星發(fā)生“看得見”的軌道變化呢？

答案是，選擇一顆合適的小行星來撞。

▲ LICIACube 衛(wèi)星發(fā)回的照片

DART任務(wù)選中的，是一顆直徑約160米，名叫狄莫佛斯的近地小行星。然而，對質(zhì)量僅570千克（撞擊時）、展開太陽能板全長也不足20米的DART探測器來說，這么大的小行星依然是個龐然大物。但巧妙的是，這顆即將被撞的小行星不是單槍匹馬，它還環(huán)繞著一另顆個頭更大、直徑約780米的小行星狄迪莫斯轉(zhuǎn)動，兩顆相距1.2千米的小行星組成了一個雙星系統(tǒng)，共同環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)。

觀察一顆小行星環(huán)繞太陽的微小軌道變化，其實非常困難。雙小行星系統(tǒng)狄迪莫斯和狄莫佛斯是阿莫爾型近地小行星，飛行軌道始終在地球軌道之外，每2.11年才能環(huán)繞太陽一圈。

但觀察一個雙星系統(tǒng)中小行星的軌道微小變化就容易得多——伴星狄莫佛斯環(huán)繞主星的公轉(zhuǎn)周期很短，僅有約12個小時，在此基礎(chǔ)上發(fā)生的微小的軌道變化相對來說就容易發(fā)現(xiàn)得多。

▲ 哈勃（左）和詹姆斯·韋伯（右）空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的被撞后的小行星狄迪佛斯，可見小行星四周，撞擊飛濺出的物質(zhì)形成的明亮輻射線

▲ DART探測器撞擊小行星之后可能帶來的變化

▲ 2003年11月23、24和26日，阿雷西博天文臺的S波段雷達(dá)對主星狄迪莫斯進(jìn)行的14次雷達(dá)成像，可以清楚看到主星旁的伴星狄莫佛斯

據(jù)目前的推算，DART探測器以6.6千米/秒的速度迎頭撞向狄莫佛斯，可以把這顆小行星環(huán)繞主星一圈的周期縮短上好幾分鐘，已經(jīng)足夠觀測到了。也不用擔(dān)心，這種程度的撞擊并不會大幅改變小行星狄莫佛斯的軌道，更加不會影響到主星的運行，兩顆小行星原本在接下來的至少100年里不會撞向地球，撞完之后也不會“反水”來撞地球。

但撞擊到底會對小行星帶來多大的變化，也不是那么容易預(yù)測的，畢竟，真實的小行星既不是質(zhì)點也不是剛體，在受到超高速撞擊的情況下，小行星自身的密度、強(qiáng)度、孔隙度等物理性質(zhì)都會大大影響撞擊的結(jié)果。直徑百米級的狄莫佛斯由松散的碎石堆組成，這樣的結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定。

▲ 羅威爾天文臺的羅威爾發(fā)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡

地球望遠(yuǎn)鏡：終于輪到我出場了

在實施撞擊的15天前，DART探測器預(yù)先分離出一顆立方星LICIACube。這顆立方星由意大利空間局研制，可以用自己的推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)整軌道，在撞擊發(fā)生的幾分鐘后近距離飛掠小行星狄莫佛斯，用自己攜帶的相機(jī)確認(rèn)撞擊情況。

立方星一睹為快之后，眾多環(huán)繞地球的空間望遠(yuǎn)鏡和地球上的地基望遠(yuǎn)鏡也紛紛加入了對小行星狄莫佛斯的后續(xù)觀測。尤為令人矚目的是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡，兩個空間望遠(yuǎn)鏡在撞擊后的幾個小時里，分別拍攝了狄莫佛斯在近紅外和可見光波段下的照片，撞擊飛濺出的物質(zhì)明亮耀眼。

事實上，之所以DART探測器選擇在2022年9月27日撞擊，正是因為這個雙小行星系統(tǒng)會在10月份近距離飛掠地球——至少在這個公轉(zhuǎn)周里，這是兩顆小行星距地球最近的時候，可以近到1100萬千米，借助這個天然的近距離觀測機(jī)會，地球望遠(yuǎn)鏡有機(jī)會更清楚地觀察這兩顆小行星。它們下一次近距離飛掠地球，就要到2024年了。

當(dāng)然，我們更關(guān)注的還是這次撞擊到底讓小行星的軌道改變了多少，美國宇航局最新公布了數(shù)據(jù)：DART探測器9月27日撞向近地雙小行星系統(tǒng)的伴星——狄莫佛斯后，伴星繞主星運行的軌道從11小時55分降低為11小時23分，縮短了32分鐘，【大大超過了原本預(yù)期的幾分鐘】，也就是說這次撞擊對小行星的軌道的改變比預(yù)想的還要顯著。

用地球上的望遠(yuǎn)鏡，窮盡極限觀測一顆被人類航天科技改變了軌道的遙遠(yuǎn)小行星，想必是個令天文學(xué)家們激動不已的時刻。

新技術(shù)的試驗場！

嚴(yán)格來說，DART探測器僅僅攜帶了一件用于探測的儀器，那就是光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)DRACO，畢竟，它的主要使命是撞擊，撞完就粉身碎骨了。然而，DART探測器不止于此，它還會在殞滅之前“發(fā)光發(fā)熱”。雖然沒有復(fù)雜的科學(xué)探測使命，但DART探測器攜帶了多種新儀器，為諸多新技術(shù)開辟了試驗場。

▲ DART探測器的光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)DRACO位置

新型離子推進(jìn)系統(tǒng)

DART探測器攜帶了兩套推進(jìn)系統(tǒng)：使用肼燃料的主推進(jìn)系統(tǒng)用于探測器的軌道機(jī)動和姿態(tài)控制；使用氙氣的離子發(fā)動機(jī)，則用于驗證美國宇航局的新型離子推進(jìn)系統(tǒng)NEXT-C在太空中的使用情況。相比于過去在“深空一號”、“黎明號”上使用的離子推進(jìn)系統(tǒng)，NEXT-C系統(tǒng)比沖更高，性能更優(yōu)越，可以讓將來的深空探測器攜帶更少的燃料飛得更遠(yuǎn)。

卷軸式太陽能板框架

為了更大限度壓縮發(fā)射體積和質(zhì)量，DART探測器采用了卷軸式的太陽能板框架ROSA，發(fā)射后在太空中徐徐打開。相比于傳統(tǒng)的折疊式太陽能板，ROSA更為輕便靈活。

高轉(zhuǎn)化率的太陽能電池板

DART探測器的太陽能電池板上，有一小部分沒有使用常規(guī)的電池板。這些用于技術(shù)驗證的新型太陽能電池板，可以比目前使用的常規(guī)太陽能電池板多產(chǎn)生3倍的能量，大大提高了太陽能利用效率。如果該技術(shù)廣泛投入使用，將來去往木星甚至更遠(yuǎn)的外太陽系探測器也有望以更輕小的太陽能電池板產(chǎn)生更充足的太陽能，而不必使用昂貴的核電池供電。

智能自主導(dǎo)航

事實上，直到撞擊發(fā)生的一個小時前，目標(biāo)小行星狄莫佛斯在DART探測器的光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)中還只是1個像素的小點。為了準(zhǔn)確找到小行星、準(zhǔn)確撞上小行星，DART探測器使用了一種智能自主導(dǎo)航系統(tǒng)SMART Nav，該系統(tǒng)在撞擊器前4個小時啟動，持續(xù)把探測器拍攝的照片反饋給導(dǎo)航算法，指導(dǎo)探測器自主完成定向、數(shù)據(jù)傳輸和撞擊。

▲ DART探測器和小行星狄莫佛斯的大小對比

▲ 撞擊前1個小時里DART相機(jī)鏡頭中能看到的小行星大小變化模擬

高效通訊的高增益天線

DART探測器沒有使用傳統(tǒng)的“大鍋”作為高增益天線，而是嘗試使用一種徑向線縫陣列式天線（RLSA）來收發(fā)數(shù)據(jù)。這種“新穎”的技術(shù)成本更低、傳輸效率更高，雖然已經(jīng)存在了幾十年，但之前未曾用于深空探測器的通訊。

驗證這些新技術(shù)，雖然不會為DART任務(wù)本身帶來什么益處，卻可以造福之后的眾多深空探測器。

赫拉號：前赴后繼

然而，想要深入了解DART探測器的撞擊成果，對DART探測器撞擊后的小行星表面和內(nèi)部進(jìn)行詳細(xì)探測，地基天文望遠(yuǎn)鏡是做不到的。畢竟即使是距離地球最近的時候，兩顆小行星在地基望遠(yuǎn)鏡里也只是幾個像素的小亮點而已。

因此，DART探測器之后還需要另一艘探測器，再度前往小行星附近開展新一輪近距離探測——這個繼任者就是歐空局的“赫拉號”。

▲ 撞擊成功后，控制室一片歡呼

▲ 赫拉號探測器的藝術(shù)想象圖

“赫拉號”計劃于2024年發(fā)射，2026年抵達(dá)雙小行星系統(tǒng)，對主星狄迪莫斯和伴星狄莫佛斯展開全方位的深入探測。屆時，這對小行星將成為繼糸川、龍宮、貝努之后人類最了解的近地小行星，也將成為首對被人類探測器兩度近距離探測過的小行星。

行星防御，是一個龐大的工程，DART探測器的演習(xí)僅僅是其中一小步。但好在，我們還有足夠的時間，只要不停下腳步。將來，人類還會努力研發(fā)更強(qiáng)大的行星防御航天器，但DART任務(wù)留下的第一手試驗數(shù)據(jù)，始終有著重要參考價值。

數(shù)百年后，如果真的遇到小行星來襲、可能帶來危害的那一天，希望我們?nèi)祟愐呀?jīng)做好了準(zhǔn)備。