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人类「星球大战」的第一步,是拿卫星「撞」小行星
送交者: xiaobeng[★★声望品衔10★★] 于 2022-09-29 3:52 已读 368 次  

xiaobeng的个人频道

作者|凌梓郡

编辑|靖宇

二十一世纪的某一天,两位天文学家发现,一颗喜马拉雅大小的彗星即将在 6 个月后撞击地球,带来的能量相当于十亿颗原子弹,不采取行动,地球将毁灭。

他们先后把这一消息告诉 NASA、美国总统、再通过电视新闻告诉大众。

可惜,没有人重视。

总统关注自己的选举、大众把这个消息当作一次有趣的头条。于是「不抬头看天」的地球迎来了毁灭。

这个去年底上线 Netflix 的讽刺喜剧《不要抬头》(Don't Look Up),虽然故事纯属虚构,但一个细节倒是符合现实——两位天文学家被 NASA 局长移交给「行星防御」办公室的主管,由主管领着连夜见总统。

在现实中,NASA 确实设立了一个类似部门,名字差不多:「行星防御协调办公室」(Planetary Defense Coordination Office)。这个办公室的主要任务,就是睁大眼睛寻找有潜在威胁的近地天体,发出警告,并设计预防方案。所以,如果真的有电影里喜马拉雅山那么大的彗星威胁地球,应该是这个部门先发现,轮不到两个普通的天文学家。

就在今天,北京时间 2022 年 9 月 27 日,这个办公室刚刚执行了人类历史上第一次,小行星防御演习——用一颗人造卫星撞击小行星来改变其轨道。

这次撞击任务,是双小行星改道测试(Double Asteroid Redirection Test)行动的一部分。被派往太空执行任务的卫星就叫做 DART。Dart,在英文中也是飞镖的意思。它也可能是至今最昂贵的一枚「飞镖」。


DART路线图和双星系统示意图|来源:NASA

漫长奔赴,迎面相撞 6park.com

美国当地时间 9 月 26 日晚上 7 点多,「最后一击」前的 2 分钟,马达熄灭。在此之前,它以每秒约 6.6 千米的速度奔赴目标。

此时 DART 卫星已经锁定了小行星 Dimorphos,越来越近,只差最后一击。这次撞击之前,它已经飞行了 10 个月之久。2021 年 11 月,这颗卫星被一枚猎鹰 9 号送入太空。

DART 卫星这次飞行的目标,是距离地球之外 1100 万公里的双星系统 Didymos (希腊语的双胞胎)。

这个双星系统里有一大一小两颗小行星,大的直径 780 米,小的直径 160 米。这颗弟弟小行星是另一颗哥哥小行星的卫星,它绕着双星系统中较大的那颗,每转一圈所用的时间是 11 小时 55 分钟。这颗名字为 Dimorphos 的小行星,是 DART 卫星奔赴的最终目标。

在执行撞击任务的 26 日下午 3 点,卫星接收到最后一次来自地球的航向修正信息后,DART 就进入了自动导航模式——自主导航也是在这次任务测试的技术之一。科研团队为卫星配置了一个光学导航系统。在撞击前一个小时,这个导航系统引导卫星 DART 锁定双星系统中的弟弟。

在最后的几分钟里,卫星上的照相机向地球传回的照片,记录下卫星视角的「奔赴」:


撞击前2.5分钟,这也是最后一次双星系统出现在视角里。距离目标 570 公里。


撞击前11秒,距离目标 68 公里。


撞击前传来的最后一张完整图片,距离目标 12 公里。


在撞击前大约 1 秒,距离目标 1 公里,卫星顽强传回来最后一张照片。

在图像传回地球的途中,卫星「亲吻」了目标,所以只传回了一小部分信息。

晚上 7 点 14 分,在美国马里兰州的任务控制中心宣布,撞击任务成功。

之所以选择这个双星系统作为实验对象,是因为它距离地球的距离适中,方便飞行器抵达,也方便各种天文望远镜观测,同时也足够安全,不至于对地球产生任何影响。

而选择双星系统中较小的弟弟,不完全是因为「柿子先找软的捏」,也是因为撞击之后,通过观测它围绕哥哥运行的轨道变化,能够推算出这次撞击带来的影响。

另外一个原因,直径在 140 米以上的小行星,就有可能对地球造成潜在威胁。这颗弟弟行星直径 160 米,达到了造成潜在威胁的「体积下限」,因此也适合作为改换轨道试验的候选人。换句话说,这个双星系统简直是小行星改道的理想试验场。

从体积上而言,DART 卫星直径只有 19 米,不到撞击目标的八分之一。而科学家测算,这次撞击将使得 Dimorphos 的运行轨道改变 7 分钟。


工作人员将DART从集装箱中取出|来源:NASA

「行星撞地球」的概率问题

虽然卫星本身不能再向地球传回任何信息,但科学家依旧在等待更多的图像。一个小小的盒子,可能是这次「人造天象」的最佳观众。

在这次撞击任务 15 天前,DART 卫星上分离出一个小型的立方体「盒子」(LICIA Cube),它由意大利太空总署提供,是一个自带翅膀的图像采集器。分离后,它也会自动调整姿态,达到 DART 的上空,见证撞击的历史时刻,并捕捉撞击过程中小行星喷射物在太空中所形成的图像。

不过由于 LICIA Cube 没有配备大型天线,图像将在未来几周内一张一张传回地球。有了它提供的图像,再加上卫星本身传回的图像,人们可以期待未来会出现这次撞击更生动全面的记录。


两颗行星与DART的大小对比|来源:NASA

据科学家预测,这次撞击,可能会让 9980 千克到 99800 千克的小行星被物质被弹射出来,并在表面形成陨石坑。在相撞的瞬间,将有数以百万计的微小岩石被挤压,它们所形成的推力总和,将加成 DART 撞击带来的效果。

研究相撞模型的科学家发现,影响撞击结果的主要因素有卫星 DART 的速度、两者碰撞时的角速度,还有就是被撞击小行星本身的内部结构或者材料特性。

组成小行星的岩石的强度,和这些岩石的孔隙度(也就是岩石中间的空气体积含量),将会对撞击结果产生显著影响。但是由于目前人们并不了解小行星岩石本身的情况,科学家除了测算不同的模型,也在等待 LICIA Cube 传回的图片,得到更多的信息。


不同孔隙度下,科学家进行的结果测算|来源:NASA

过去几十年,越来越多的证据表明,许多小行星并非以固体岩石的形态存在,也不是含有数百万个微孔的岩石。它们存在形态是碎石堆,也就是松散的巨石堆。引力的作用使得这些石头聚集在一起,形成一颗小行星。它们很像漂浮在宇宙中的巨型石场。科学家怀疑,Dimorphos 也是这样的存在。

人类将地球到太阳的最近距离定义为 1 个天文单位,如果有天体近日距离小于 1.3 个天文单位,就被认为是近地天体。

目前观测到的近地天体主要是小行星和彗星,还有最常见的流星。

根据 NASA 内部一份近地天体研究中心的数据,截至 2020 年 7 月 20 日,已知的近地小行星有 23,118 颗。其中一小半的小行星直径达到了 140 米。这些都是有可能给地球带来潜在威胁的小行星,只是目前人类对它们知之甚少。

在新闻中,每隔一段时间也会出现某颗小行星未来会撞击地球的预测,但是过一段时间又会被证明是计算错误。1998 年,有消息称一颗小行星将于 2028 年撞击地球。后来人们发现计算错误,那颗小行星将与地球擦肩而过。

据推测,在太阳系早期,大概在十亿年前,地球遭受过大量的小行星撞击。目前,地球上已经发现了大约 200 个小行星撞击坑,还有疑似的撞击坑。

按照目前已有的信息来推算近地天体撞击地球的概率,直径 200 米量级的小型天体是每千年出现一次。而 6500 万年前导致恐龙灭绝的那次撞击,是一颗直径 15 公里的小行星。它发生的概率以亿年计算。这在已知的历史中仅仅发生过这一次。

对人类来说,一颗直径达到 1000 米的小行星,就能够对地球带来毁灭性打击——撞击产生的尘埃会覆盖大部分陆地,也会在海洋引起海啸。

据目前掌握的数据,在未来 100 年内,没有任何已知直径大于 140 米的小行星可能撞击地球。而人类的视野尚存在盲区,还有一部分小行星未被观测到。

此外,还有个别小行星被列入「潜在威胁」的名单,有一颗小行星被认为在 100 多年后有千分之一的概率撞击地球;另一颗被预测在 700 多年后,有三百分之一的概率撞击地球。好在人类不是恐龙,面对小概率事件,会从几百年之前就思考方案。

对了,为了纪念人类的首次小行星改道实验,你今天可以用「DART NASA」作为暗语,触发一个被 DART 撞击后倾斜了的网页。


歪斜的纪念|来源:截图

DART的撞击只是一个起点,这个计划会在未来几年以不同的方式持续进行。

除了地球上天文台对这个双星系统的观测之外,在2024年,欧洲宇航局将会发射名为「赫拉」的航天器,在2026年抵达双星系统。主航天器和它所携带的2个类似于LICIA Cube的图像采集器,将会近距离观测Dimorphos这次留下的碰撞痕迹——陨石坑,并测量它的质量。

届时,这个双星系统的更多数据将被科学家掌握——到时候,Dimorphos 或许将成为人类在宇宙中最了解的小行星。

而不论结果如何,这次具有里程碑意义的「太空出击」,都在历史上留下了一笔——接下来不少好莱坞科幻影片的开头,可能就来自DART的这次太空任务

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