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        人類「星球大戰」的第一步,是拿衛星「撞」小行星

        摘要

        最好的防守,就是進攻。

         

        作者|凌梓郡

        編輯|靖宇

         

        二十一世紀的某一天,兩位天文學家發現,一顆喜馬拉雅大小的彗星即將在 6 個月后撞擊地球,帶來的能量相當于十億顆原子彈,不采取行動,地球將毀滅。

        他們先后把這一消息告訴 NASA、美國總統、再通過電視新聞告訴大眾。

        可惜,沒有人重視。

        總統關注自己的選舉、大眾把這個消息當作一次有趣的頭條。于是「不抬頭看天」的地球迎來了毀滅。

        這個去年底上線 Netflix 的諷刺喜劇《不要抬頭》(Don't Look Up),雖然故事純屬虛構,但一個細節倒是符合現實——兩位天文學家被 NASA 局長移交給「行星防御」辦公室的主管,由主管領著連夜見總統。

        在現實中,NASA 確實設立了一個類似部門,名字差不多:「行星防御協調辦公室」(Planetary Defense Coordination Office)。這個辦公室的主要任務,就是睜大眼睛尋找有潛在威脅的近地天體,發出警告,并設計預防方案。所以,如果真的有電影里喜馬拉雅山那么大的彗星威脅地球,應該是這個部門先發現,輪不到兩個普通的天文學家。

        就在今天,北京時間 2022 年 9 月 27 日,這個辦公室剛剛執行了人類歷史上第一次,小行星防御演習——用一顆人造衛星撞擊小行星來改變其軌道。

        這次撞擊任務,是雙小行星改道測試(Double Asteroid Redirection Test)行動的一部分。被派往太空執行任務的衛星就叫做 DART。Dart,在英文中也是飛鏢的意思。它也可能是至今最昂貴的一枚「飛鏢」。

         

        DART路線圖和雙星系統示意圖|來源:NASA

        漫長奔赴,迎面相撞

        美國當地時間 9 月 26 日晚上 7 點多,「最后一擊」前的 2 分鐘,馬達熄滅。在此之前,它以每秒約 6.6 千米的速度奔赴目標。

        此時 DART 衛星已經鎖定了小行星 Dimorphos,越來越近,只差最后一擊。這次撞擊之前,它已經飛行了 10 個月之久。2021 年 11 月,這顆衛星被一枚獵鷹 9 號送入太空。

        DART 衛星這次飛行的目標,是距離地球之外 1100 萬公里的雙星系統 Didymos (希臘語的雙胞胎)。

        這個雙星系統里有一大一小兩顆小行星,大的直徑 780 米,小的直徑 160 米。這顆弟弟小行星是另一顆哥哥小行星的衛星,它繞著雙星系統中較大的那顆,每轉一圈所用的時間是 11 小時 55 分鐘。這顆名字為 Dimorphos 的小行星,是 DART 衛星奔赴的最終目標。

        在執行撞擊任務的 26 日下午 3 點,衛星接收到最后一次來自地球的航向修正信息后,DART 就進入了自動導航模式——自主導航也是在這次任務測試的技術之一??蒲袌F隊為衛星配置了一個光學導航系統。在撞擊前一個小時,這個導航系統引導衛星 DART 鎖定雙星系統中的弟弟。

        在最后的幾分鐘里,衛星上的照相機向地球傳回的照片,記錄下衛星視角的「奔赴」:

        撞擊前2.5分鐘,這也是最后一次雙星系統出現在視角里。距離目標 570 公里。

         

        撞擊前11秒,距離目標 68 公里。

         

        撞擊前傳來的最后一張完整圖片,距離目標 12 公里。

         

        在撞擊前大約 1 秒,距離目標 1 公里,衛星頑強傳回來最后一張照片。

        在圖像傳回地球的途中,衛星「親吻」了目標,所以只傳回了一小部分信息。

        晚上 7 點 14 分,在美國馬里蘭州的任務控制中心宣布,撞擊任務成功。

        之所以選擇這個雙星系統作為實驗對象,是因為它距離地球的距離適中,方便飛行器抵達,也方便各種天文望遠鏡觀測,同時也足夠安全,不至于對地球產生任何影響。

        而選擇雙星系統中較小的弟弟,不完全是因為「柿子先找軟的捏」,也是因為撞擊之后,通過觀測它圍繞哥哥運行的軌道變化,能夠推算出這次撞擊帶來的影響。

        另外一個原因,直徑在 140 米以上的小行星,就有可能對地球造成潛在威脅。這顆弟弟行星直徑 160 米,達到了造成潛在威脅的「體積下限」,因此也適合作為改換軌道試驗的候選人。換句話說,這個雙星系統簡直是小行星改道的理想試驗場。

        從體積上而言,DART 衛星直徑只有 19 米,不到撞擊目標的八分之一。而科學家測算,這次撞擊將使得 Dimorphos 的運行軌道改變 7 分鐘。

         

        工作人員將DART從集裝箱中取出|來源:NASA

         

         

        「行星撞地球」的概率問題

        雖然衛星本身不能再向地球傳回任何信息,但科學家依舊在等待更多的圖像。一個小小的盒子,可能是這次「人造天象」的最佳觀眾。

        在這次撞擊任務 15 天前,DART 衛星上分離出一個小型的立方體「盒子」(LICIA Cube),它由意大利太空總署提供,是一個自帶翅膀的圖像采集器。分離后,它也會自動調整姿態,達到 DART 的上空,見證撞擊的歷史時刻,并捕捉撞擊過程中小行星噴射物在太空中所形成的圖像。

        不過由于 LICIA Cube 沒有配備大型天線,圖像將在未來幾周內一張一張傳回地球。有了它提供的圖像,再加上衛星本身傳回的圖像,人們可以期待未來會出現這次撞擊更生動全面的記錄。

         

        兩顆行星與DART的大小對比|來源:NASA

        據科學家預測,這次撞擊,可能會讓 9980 千克到 99800 千克的小行星被物質被彈射出來,并在表面形成隕石坑。在相撞的瞬間,將有數以百萬計的微小巖石被擠壓,它們所形成的推力總和,將加成 DART 撞擊帶來的效果。

        研究相撞模型的科學家發現,影響撞擊結果的主要因素有衛星 DART 的速度、兩者碰撞時的角速度,還有就是被撞擊小行星本身的內部結構或者材料特性。

        組成小行星的巖石的強度,和這些巖石的孔隙度(也就是巖石中間的空氣體積含量),將會對撞擊結果產生顯著影響。但是由于目前人們并不了解小行星巖石本身的情況,科學家除了測算不同的模型,也在等待 LICIA Cube 傳回的圖片,得到更多的信息。

         

        不同孔隙度下,科學家進行的結果測算|來源:NASA

        過去幾十年,越來越多的證據表明,許多小行星并非以固體巖石的形態存在,也不是含有數百萬個微孔的巖石。它們存在形態是碎石堆,也就是松散的巨石堆。引力的作用使得這些石頭聚集在一起,形成一顆小行星。它們很像漂浮在宇宙中的巨型石場??茖W家懷疑,Dimorphos 也是這樣的存在。

        人類將地球到太陽的最近距離定義為 1 個天文單位,如果有天體近日距離小于 1.3 個天文單位,就被認為是近地天體。

        目前觀測到的近地天體主要是小行星和彗星,還有最常見的流星。

        根據 NASA 內部一份近地天體研究中心的數據,截至 2020 年 7 月 20 日,已知的近地小行星有 23,118 顆。其中一小半的小行星直徑達到了 140 米。這些都是有可能給地球帶來潛在威脅的小行星,只是目前人類對它們知之甚少。

        在新聞中,每隔一段時間也會出現某顆小行星未來會撞擊地球的預測,但是過一段時間又會被證明是計算錯誤。1998 年,有消息稱一顆小行星將于 2028 年撞擊地球。后來人們發現計算錯誤,那顆小行星將與地球擦肩而過。

        據推測,在太陽系早期,大概在十億年前,地球遭受過大量的小行星撞擊。目前,地球上已經發現了大約 200 個小行星撞擊坑,還有疑似的撞擊坑。

        按照目前已有的信息來推算近地天體撞擊地球的概率,直徑 200 米量級的小型天體是每千年出現一次。而 6500 萬年前導致恐龍滅絕的那次撞擊,是一顆直徑 15 公里的小行星。它發生的概率以億年計算。這在已知的歷史中僅僅發生過這一次。

        對人類來說,一顆直徑達到 1000 米的小行星,就能夠對地球帶來毀滅性打擊——撞擊產生的塵埃會覆蓋大部分陸地,也會在海洋引起海嘯。

        據目前掌握的數據,在未來 100 年內,沒有任何已知直徑大于 140 米的小行星可能撞擊地球。而人類的視野尚存在盲區,還有一部分小行星未被觀測到。

        此外,還有個別小行星被列入「潛在威脅」的名單,有一顆小行星被認為在 100 多年后有千分之一的概率撞擊地球;另一顆被預測在 700 多年后,有三百分之一的概率撞擊地球。好在人類不是恐龍,面對小概率事件,會從幾百年之前就思考方案。

        對了,為了紀念人類的首次小行星改道實驗,你今天可以用「DART NASA」作為暗語,觸發一個被 DART 撞擊后傾斜了的網頁。

         

        歪斜的紀念|來源:截圖

         

        DART的撞擊只是一個起點,這個計劃會在未來幾年以不同的方式持續進行。

        除了地球上天文臺對這個雙星系統的觀測之外,在2024年,歐洲宇航局將會發射名為「赫拉」的航天器,在2026年抵達雙星系統。主航天器和它所攜帶的2個類似于LICIA Cube的圖像采集器,將會近距離觀測Dimorphos這次留下的碰撞痕跡——隕石坑,并測量它的質量。

        屆時,這個雙星系統的更多數據將被科學家掌握——到時候,Dimorphos 或許將成為人類在宇宙中最了解的小行星。

        而不論結果如何,這次具有里程碑意義的「太空出擊」,都在歷史上留下了一筆——接下來不少好萊塢科幻影片的開頭,可能就來自DART的這次太空任務。

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