DART：开启人类行星防御历史篇章

2022-11-19徐蒙

太空探索 2022年11期

文/徐蒙

北京时间2022年9月27日清晨7点14分，由美国宇航局发射的一颗名为“双小行星重定向测试任务”（DART）的探测器，在历经10个月的太空飞行后，抵达了此次任务的终点站——一个由两颗小行星狄迪莫斯（Didymos）和狄莫佛斯（Dimorphos）组成的双小行星系统附近，最终以6.6千米/秒高速撞向小行星狄莫佛斯，结束了自己短暂而引人瞩目的一生，为人类的行星防御战揭开了历史性的篇章。

▲ 撞击发生前，DART探测器近距离拍摄到的小行星狄莫佛斯（直径约160米），几秒后，探测器撞向小行星并停止工作

不同于过去其他近地小行星探测器，例如探访了小行星“龙宫”的日本宇宙航空研究开发机构的“隼鸟2号”和探访了小行星“贝努”的美国宇航局“奥西里斯-雷克斯”，DART探测器有着特殊的使命：它的主要目标不是探索小行星本身，而是试验如何“赶走”小行星——这是人类首次行星防御演习。

地球，笼罩在小行星的威胁之下

我们赖以生存的地球，随时可能面临小行星和彗星从天而降的袭击。事实上，地球自诞生以来，就没少挨过撞。

尤其是在太阳系暴力火拼的早期，大型撞击事件非常频繁。我们再熟悉不过的月球，就可能诞生于大约45亿年前的一次剧烈撞击：一颗火星大小的天体倾斜撞上了尚未完全长成的“雏形”地球，撞击产生的碎屑重新聚集吸积起来，形成了如今的月球。幸运的是，这次撞击还没有大到足以粉碎地球，仅仅撞碎了地球外层的一部分。

不过别担心，随着太阳系趋于平静，大行星们都找到了自己稳定的轨道，毁天灭地的大型撞击事件也就渐渐绝迹了。或许正是因为有这样相对安宁的环境，才有了地球上生命诞生繁衍的条件，才有了如今生机勃勃的地球。

但个头在10千米级别的小行星依然会袭击地球，而且足以造成全球性的物种大灭绝。上一次这样的大撞击可能发生于约6600万年前，那时人类还没有诞生，但恐龙可能深受其害。

据推测，那颗巨大的小行星（也可能是彗星）在墨西哥尤卡坦半岛撞出了一个直径约200千米的陨石坑，并且剧烈影响了当时整个地球的大气和生态环境，进而引起了包括大部分恐龙在内的众多动植物的灭绝——这就是地球上第五次生物大灭绝事件，史称“白垩纪末大灭绝”。

只是，这么大个头的小行星数目不多，撞上地球的概率也就非常低：直径10千米级的小行星撞地球事件平均每1亿~2亿年才会发生一次；直径1千米级别的小行星撞击平均每50万年才会发生一次。

个头越小的小行星，虽然对地球的危害越小，但数目也越多，撞上地球的频率也就越高，麻烦的是，地基望远镜观测到它们的难度也越大。随着巡天观测技术的提升，天文学家们已经监测到越来越多小行星的踪迹，尤其是那些轨道会和地球接近的“近地小行星”（NEOs）。

直径140米以上，轨道与地球轨道相交的近地小行星，与人类的存亡尤为息息相关：这个尺寸的小行星完全可能毁灭一座城市，引起大量人员伤亡——而这个尺寸的小行星，平均每2万年光顾地球一次，概率上又无法忽略不计。

直径20多米的小行星，虽然大多数情况下武力值不算强，但万一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，俄罗斯的车里雅宾斯克市就发生过这样的事故：一颗直径近20米小行星来袭，空爆和冲击波造成了一定的经济损失和1400多人受伤，但所幸无人死亡。

更危险的是，这样大小的小行星，平均每100年就会光顾地球一次——如果不巧撞在了大城市，那我们或者我们的子孙，有生之年就可能会遇到。

▲ DART任务的海报

总之，对地球人来说，这份来自小行星的威胁并不是杞人忧天，而是实实在在可能发生的。

只是千百年来，人类能做的只有被动地希望这样的事不要发生，而随着人类深空探测技术的发展，是拿回主动权的时候了。DART探测器，就是开始。

反击吧，地球人！

这倒也不是说地球到了生死存亡的关键时刻，一颗大个头的小行星马上就要撞过来了，而事实上，目前的小行星观测数据显示，至少接下来的100年里，地球都挺安全的。但这喘息的间隙，恰恰是人类努力发展科技的好时机。

▲ 小行星空爆和冲击波震碎的车里雅宾斯克剧院玻璃

如果将来有一天，预知一颗直径几十甚至100多米的小行星真的快要撞上地球了，人类要如何抵御这颗小行星，要如何自救？现在，我们还有足够长的时间，来为应对这一天积累实力，做好准备。

想要保护地球不被小行星撞伤，最直接的思路有两种：一是改变小行星的轨道，例如把小行星撞歪、推动、拖走；二是直接摧毁小行星，例如用核弹把小行星炸毁。

DART探测器打算测试的，就是目前的技术水平下最容易实现的一种思路：通过自杀式撞击，让小行星发生偏转。正如探测器的缩写和任务徽章上的“飞镖”（DART）一般，DART探测器将会以最悲壮的方式结束自己的生命：似利箭，迎头相撞，一往无前。不过从技术上来说，撞上小行星的难度不大。毕竟，人类已经有过两次成功撞击小行星/彗星的经验了。

▲ 北京时间2022年9月27日，LICIACube在撞击实施的几分钟后拍摄的两颗小行星，狄莫佛斯四周可见明显的撞击产物飞溅出来。

一次是2005年，深度撞击号探测器释放撞击器，撞了坦普尔1号彗星的彗核；另一次是2019年，隼鸟2号探测器释放撞击器在小行星龙宫上撞出了一个坑。

难点在于，探测器和小行星的质量差距如此悬殊，“蚍蜉”撞“大树”，要如何撞才能达到“四两拨千斤”的效果，让小行星发生“看得见”的轨道变化呢？

答案是，选择一颗合适的小行星来撞。

▲ LICIACube 卫星发回的照片

DART任务选中的，是一颗直径约160米，名叫狄莫佛斯的近地小行星。然而，对质量仅570千克（撞击时）、展开太阳能板全长也不足20米的DART探测器来说，这么大的小行星依然是个庞然大物。但巧妙的是，这颗即将被撞的小行星不是单枪匹马，它还环绕着一另颗个头更大、直径约780米的小行星狄迪莫斯转动，两颗相距1.2千米的小行星组成了一个双星系统，共同环绕太阳公转。

观察一颗小行星环绕太阳的微小轨道变化，其实非常困难。双小行星系统狄迪莫斯和狄莫佛斯是阿莫尔型近地小行星，飞行轨道始终在地球轨道之外，每2.11年才能环绕太阳一圈。

但观察一个双星系统中小行星的轨道微小变化就容易得多——伴星狄莫佛斯环绕主星的公转周期很短，仅有约12个小时，在此基础上发生的微小的轨道变化相对来说就容易发现得多。

▲ 哈勃（左）和詹姆斯·韦伯（右）空间望远镜拍摄的被撞后的小行星狄迪佛斯，可见小行星四周，撞击飞溅出的物质形成的明亮辐射线

▲ DART探测器撞击小行星之后可能带来的变化

▲ 2003年11月23、24和26日，阿雷西博天文台的S波段雷达对主星狄迪莫斯进行的14次雷达成像，可以清楚看到主星旁的伴星狄莫佛斯

据目前的推算，DART探测器以6.6千米/秒的速度迎头撞向狄莫佛斯，可以把这颗小行星环绕主星一圈的周期缩短上好几分钟，已经足够观测到了。也不用担心，这种程度的撞击并不会大幅改变小行星狄莫佛斯的轨道，更加不会影响到主星的运行，两颗小行星原本在接下来的至少100年里不会撞向地球，撞完之后也不会“反水”来撞地球。

但撞击到底会对小行星带来多大的变化，也不是那么容易预测的，毕竟，真实的小行星既不是质点也不是刚体，在受到超高速撞击的情况下，小行星自身的密度、强度、孔隙度等物理性质都会大大影响撞击的结果。直径百米级的狄莫佛斯由松散的碎石堆组成，这样的结构更加不稳定。

▲ 罗威尔天文台的罗威尔发现望远镜

地球望远镜：终于轮到我出场了

在实施撞击的15天前，DART探测器预先分离出一颗立方星LICIACube。这颗立方星由意大利空间局研制，可以用自己的推进系统调整轨道，在撞击发生的几分钟后近距离飞掠小行星狄莫佛斯，用自己携带的相机确认撞击情况。

立方星一睹为快之后，众多环绕地球的空间望远镜和地球上的地基望远镜也纷纷加入了对小行星狄莫佛斯的后续观测。尤为令人瞩目的是哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦伯空间望远镜，两个空间望远镜在撞击后的几个小时里，分别拍摄了狄莫佛斯在近红外和可见光波段下的照片，撞击飞溅出的物质明亮耀眼。

事实上，之所以DART探测器选择在2022年9月27日撞击，正是因为这个双小行星系统会在10月份近距离飞掠地球——至少在这个公转周里，这是两颗小行星距地球最近的时候，可以近到1100万千米，借助这个天然的近距离观测机会，地球望远镜有机会更清楚地观察这两颗小行星。它们下一次近距离飞掠地球，就要到2024年了。

当然，我们更关注的还是这次撞击到底让小行星的轨道改变了多少，美国宇航局最新公布了数据：DART探测器9月27日撞向近地双小行星系统的伴星——狄莫佛斯后，伴星绕主星运行的轨道从11小时55分降低为11小时23分，缩短了32分钟，【大大超过了原本预期的几分钟】，也就是说这次撞击对小行星的轨道的改变比预想的还要显著。

用地球上的望远镜，穷尽极限观测一颗被人类航天科技改变了轨道的遥远小行星，想必是个令天文学家们激动不已的时刻。

新技术的试验场！

严格来说，DART探测器仅仅携带了一件用于探测的仪器，那就是光学导航相机DRACO，毕竟，它的主要使命是撞击，撞完就粉身碎骨了。然而，DART探测器不止于此，它还会在殒灭之前“发光发热”。虽然没有复杂的科学探测使命，但DART探测器携带了多种新仪器，为诸多新技术开辟了试验场。

▲ DART探测器的光学导航相机DRACO位置

新型离子推进系统

DART探测器携带了两套推进系统：使用肼燃料的主推进系统用于探测器的轨道机动和姿态控制；使用氙气的离子发动机，则用于验证美国宇航局的新型离子推进系统NEXT-C在太空中的使用情况。相比于过去在“深空一号”、“黎明号”上使用的离子推进系统，NEXT-C系统比冲更高，性能更优越，可以让将来的深空探测器携带更少的燃料飞得更远。

卷轴式太阳能板框架

为了更大限度压缩发射体积和质量，DART探测器采用了卷轴式的太阳能板框架ROSA，发射后在太空中徐徐打开。相比于传统的折叠式太阳能板，ROSA更为轻便灵活。

高转化率的太阳能电池板

DART探测器的太阳能电池板上，有一小部分没有使用常规的电池板。这些用于技术验证的新型太阳能电池板，可以比目前使用的常规太阳能电池板多产生3倍的能量，大大提高了太阳能利用效率。如果该技术广泛投入使用，将来去往木星甚至更远的外太阳系探测器也有望以更轻小的太阳能电池板产生更充足的太阳能，而不必使用昂贵的核电池供电。

智能自主导航

事实上，直到撞击发生的一个小时前，目标小行星狄莫佛斯在DART探测器的光学导航相机中还只是1个像素的小点。为了准确找到小行星、准确撞上小行星，DART探测器使用了一种智能自主导航系统SMART Nav，该系统在撞击器前4个小时启动，持续把探测器拍摄的照片反馈给导航算法，指导探测器自主完成定向、数据传输和撞击。