主动防御！人类航天器首次深空奔袭撞击小行星

2022年9月27日早上7点14分，已经在太空中长途奔袭308天的航天器“飞镖”（DART，双小行星改道测试航天器）顺利撞上一颗小行星。在激起大量尘埃物质的同时，也将对小行星的轨道造成一定影响，这是人类首次进行主动防御小行星的实验。


DART撞击任务艺术效果图（图片来源：NASA）
这次任务到底是怎么回事？有什么意义？请看下文对五大问题的详解。
问题一：为什么要研究主动防御？
小行星是人类航天和天文界的超级“网红”，无论是专业机构还是业余爱好者，都发现了大量的小行星。国际天文联合会IAU经常以发现者、名人和机构来命名小行星，它们也因此频繁登上新闻头条。
小行星实在太多了，按照NASA实时更新的数据，截至9月27日，人类已经追踪到了1113527颗小行星。体积较小、尚未被发现的小行星，势必远远超过这个数字。
这些小行星里，有一些似乎对地球不那么“友好”，因为它们的轨道与地球轨道有交叉，这就意味着二者有可能碰撞。随着人类观测技术的提升，发现的近地小行星数量在迅速攀升，如今已经近30000颗，且超过900颗是千米级别的大家伙，足以对地球生命造成致命威胁。


被发现的近地小行星的数量也在迅速增加（图片来源：NASA）
仅以2013年著名的“俄罗斯车里雅宾斯克小行星事件”为例，一颗直径仅15~17米的小行星冲进地球，就在一个人口稀少的城市造成了1491人伤亡。而一颗千米级别的小行星，撞击能量就能远超地球上所有核武器加起来的威力。更不用提生物学界讨论许久的恐龙灭绝事件，或许一颗千米级的小行星撞击地球就彻底颠覆了地球历史。
所以，哪怕灾难级别的小行星撞击地球事件发生概率很低，人类都要做好准备。在小行星面前，人类是命运共同体。
问题二：DART的目标是什么？
世界各航天大国都把小行星研究作为核心项目之一，也出现了诸多任务。
例如，日本的“隼鸟”1号和2号实现了人类首次和第二次小行星采样返回，美国的“冥王”号也正在运送小行星样本返回地球的途中。也有不少任务兼职“飞掠”探测小行星。例如，中国的“嫦娥2号”探测器于2012年12月13日近距离（最近3.2千米）观测过“图塔蒂斯”小行星，还有“罗赛塔”“伽利略”“卡西尼”“新视野号”等探测器都有过探测小行星的历史。但这些探测器的任务普遍围绕观测和采样展开，并包含主动防御小行星。


巨大的DART会在撞击的瞬间粉身碎骨，把全部动量用以小行星变轨（图片来源：NASA）
按照天体运动学的原理，人类的防御方案并不用直接摧毁小行星（目前也远没有这个能力），仅需施加外力将它稍微推离威胁地球的轨道，即可让万有引力带着它“失之毫厘，谬以千里”，从而错过与地球的撞击。而在深空中，一旦错过，就是永别了。
因而这次DART的目标非常明确：要直接用重达610千克的航天器以超过6千米/秒的速度直接撞击小行星，最大限度改变小行星的轨道，获得整体测试效果，并评估未来人类面临小行星威胁时应该采取怎样的应对方案。
问题三：为什么选孪生小行星作为测试目标？
选择的逻辑主要有4条：
1.绝对安全。无论航天器撞击后小行星的轨道怎么变化，都不能因为这次测试把它“推向”地球。
2.小行星大小适中，表面材料合适。这样航天器就能撞出效果来，否则“蚍蜉撼树”毫无反应，就没意思了。
3.有精准轨道预报和跟踪。测试目标必须是人类熟知并长时间观测的小行星，且轨迹简单，不会受到复杂轨道摄动力影响，这样DART在深空“亿里奔袭”时能有足够高的成功把握。
4.精准观测。撞击过程必须便于地球和地球附近的航天器连续集中观测，且撞击后对轨道的影响要有参照物及时反映出来，例如轨道周期、轨道距离等。


DART的撞击可以让小行星轨道周期发生改变并被准确测量出来（图片来源：NASA）
最终，DART选择的目标是两颗孪生小行星Didymos和Dimorphos（希腊神话孪生子/双胞胎的名字，下文用“大星”和“小星”指代），小星围绕大星稳定运动，正常情况下，小星运动的轨道周期是11.9小时，它们距离地球很近，通过大型天文望远镜可以很方便地测量它们之间的相对运动情况。
小星的个头很小，直径仅160米，飞行的引力环境纯粹，但凡它的周期出现一点变化，都可以被地球上的科学家识别出来，并用来评估撞击的影响。
因而，尽管预计DART撞击仅能把这个是自身质量1000万倍的“小”星速度改变0.4毫米/秒，但已经能让它的轨道周期变化10分钟，对科学家们而言足够了。
问题四：DART用了哪些新技术？
问题三中已经提到，选择这两颗孪生星的重要原因之一就是清楚它们的“容易撞”，但这并不代表这个从地球出发飞行近1年、跨越数亿千米的“飞镖”能准确“扎上”目标，航天器也需要采用一系列新技术，确保那一瞬间的成功。不过由于航天器瞬间要被毁掉，就没必要带上太多顶级科研载荷，DART所有的新技术都是围绕让它更准来设计的。
这个“准”是指什么呢？
1.飞得准
DART使用了NASA的崭新NEXT-C离子电推进发动机，采用超高电压电离惰性气体氙，从而获得持续不断的推力。这套系统耗电惊人，需要用22平米的新一代柔性太阳能电池板供能。飞行过程中，还需要太阳和恒星敏感器获得准确姿态；
2.看得准
DART的撞击地点在距离地球1000万千米之外，光速双向通信延时超过1分钟，它必须自主完成导航和撞击，一双精准的“眼睛”必不可少。基于“新视野号”LORRI相机技术，DART所携带的DRACO技术更进一步，识别的精度、准度和清晰度更强。有了这双“眼睛”和定制的自动智能导航软件，DART能真正凭一己之力完成任务。


DART在撞击瞬间的高清画面准确传回（动图来源：NASA）
3.传得准时
DART任务的高光时刻是撞击的瞬间，但这也是它粉身碎骨的瞬间。不同于常规任务可以把数据暂存后待机传回地球，DART必须在瞬间传回大量数据，尤其是以6千米/秒速度撞击的过程中，要快速拍摄清晰的小行星近景，“可视即可传”，直到爆炸的瞬间。因而，NASA对这次任务的直播也很简单，就是任务的主相机发回的景象。为这些超高要求保驾护航的，是一整套高增益天线系统RLSA。这是它的太空首秀，效果也显而易见。
问题五：如何观测整个撞击过程和结果？
由于精准的轨道预报和控制，DART的撞击很早就被记录在科学界的日程表中，最终有部署在10余个国家和地区的近20台地面望远镜参与了这次联合观测。与此同时，远在太空之中的哈勃太空望远镜，詹姆斯·韦伯太空望远镜，甚至正在太空中飞行的小行星探测器“露西”，都把镜头对准了撞击地点。
但是，这些“远观”都无法真正呈现撞击的清晰画面。为此，DART早在撞击前15天就提前释放了一个小卫星LICIACube，它携带了两部高清相机。它在撞击完成后2分45秒准时飞抵现场，记录下撞击后的情况，随后滑向深空。
望远镜的观测结果、小卫星的高清相机拍摄结果及DART自己发回的撞击前实时直播，让科学家们能掌握撞击的全程情况。


“赫拉”号将会全面检测孪生小行星及撞击结果（图片来源：ESA）
为了更进一步评估整体撞击情况，欧空局正在建造“赫拉”号航天器，它的目标是于2024年升空，随后前往这两颗孪生小行星，利用各种先进的科学仪器和小卫星对它们进行详细科学研究，尤其是评估DART撞击后对小星的影响。
正如前文所说，DART并未携带科学仪器，事实上也没有时间进行科学测量，但“赫拉”能完美补上这个缺口。有了它，一个完整的人类航天探索测试才算完全闭环。
人类航天已经走过65年，随着科技的进步，我们探索宇宙的好奇心逐渐增加，航天任务也在变得越来越复杂。地球是人类的摇篮，但我们总要探测摇篮之外的世界，航天科技，就是走出摇篮、打开宇宙之门的最好钥匙。
出品：科普中国
作者：太空精酿
监制：中国科普博览
参考网页：
[1]NASA官网：https://solarsystem.nasa.gov/asteroids-comets-and-meteors/asteroids/in-depth/
[2]NASA官网：https://www.nasa.gov/planetarydefense/dart/dart-news/
[3]ESA官网：https://www.esa.int/Space_Safety/Hera


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