DART:人类即将进行的首次“小行星防御”试验

去年11月23日晚10时21分(美东时间24日凌晨),美国宇航局在加州范登堡太空军基地将一枚 “双小行星重定向试验”(DART, Double Asteroid Redirection Test)探测器发射升空,经过约10个多月的漫长旅途,将在美国东部时间9月26日傍晚7时14分,抵达并撞击一个双小行星系统的子星,测试该子星运行轨道的偏转和变化,为今后人类可能需要的“小行星防御”提供数据和经验,防止地球被小行星撞击,引发大规模的海洋、大气和地质变化,出现类似于6500万年前白垩纪-古近纪期间,因为一颗小行星撞击地球引起的的生物灭绝、即人们熟知的白垩纪恐龙灭绝事件,威胁到今天人类的生存。

小行星防御近年来是科学界的一个热门,许多普通民众也关注这一话题,特别是在2013年2月,一颗小行星落入大气层,在俄罗斯车里雅宾斯克上空爆炸,大批建筑物受损,1200多人受伤,使得这一看似遥不可及的“天灾”变得与我们如此的接近,因此许多媒体都在跟进DART试验。

读过中学甚至高小的都会知道,在火星与木星之间有一个小行星带,今天人们认为它是由太阳系形成过程中被遗弃的太空尘埃凝聚而成,以直径950公里的谷神星最大,不算粉尘颗粒,已经发现的总数超过12万颗。

真正威胁地球的是那些近地小行星,截自2021年11月,已知的约有27,000颗。人们将其按大小分为三类:尺度超过一千米的,如果撞击地球的话将会带来毁灭性的灾难,好在人们已经观察到几乎所有的此类小行星而且知道它们对地球不构成威胁。尺度小于140米的则虽然量多且难以侦测,但是它们即便与地球相撞,也不会带来重大威胁,它们在穿越大气层时大多形成流星,少数会落入地表成为陨石。问题出在尺度在140米至1000米之间的近地小行星,它们较难被发现,但是一旦撞击地球的话,将会带来巨大的灾难。这次DART试验的目标天体,就是这样一个近地双小行星系统。其主星Didymo大小为780米,现代摩天大楼的高度与之相当,而子星Dimorphos 160米,尺寸类似埃及开罗大金字塔。二者相当“亲密”,质心的距离只有1,180米。

科学界还面临一个问题,就是以动能撞击的方式改变威胁地球的近地小行星,撞击的效果如何测量。目前人们能够发射到威胁地球的小行星的“武器”,其质量与此类小行星相比微不足道,所以如果直接撞击一颗中等质量的近地小行星,对其绕行太阳轨道以年计的周期的影响几乎无法测量。有一种构想是在飞行途中“俘获”空间物质,壮大自己之后再撞向威胁地球的小行星,但是距离实现还相当遥远。DART选择撞击的是一个双小行星系统的子星,其绕行主星的周期为11小时55分。计算表明它被撞击之后,轨道周期会有几分钟的变化,地面天文台可以观测出来。

这次测试的目标选择,还有一个重要的考量,就是要防止万一撞击产生飞向地球的碎片。DART撞击Dimorphos如果有碎片产生,也会被主星Didymo俘获,因此不会对地球构成任何威胁。

这枚探测器是约翰霍普金斯大学推进实验室为主研发、由SpaceX的猎鹰-9火箭发射的。整个计划耗资3亿3千万美元。在它撞击目标的15天前,会释放一枚小型立方体卫星 LICIACube,以捕捉撞击事件和后续影响的图片。该卫星由意大利合作机构设计和建造。

这是去年DART发射之前,在范登堡太空军基地的设施内,猎鹰 9 号火箭有效载荷保护整流罩正在合拢,将DART航天器保护在其中。(美国宇航局图片)
这是去年DART发射之前,在范登堡太空军基地的设施内,猎鹰 9 号火箭有效载荷保护整流罩正在合拢,将DART航天器保护在其中。(美国宇航局图片)

在DART任务完成两年后,欧洲航天局(ESA)将在2024年发射赫拉(Hera)航天器,计划在2026 年抵达Didymos双小行星系统。赫拉由一枚主航天器及两个伴生立方体卫星组成,将对该双星系统进行详细调查,特别关注DART撞击子星留下的陨石坑,并对子星质量进行精确测定,以从DART小行星偏转测试中获得更准确的小行星防御知识。

最后要说的是,虽然在接下来的 100 年里,没有任何已知的尺寸大于 140 米的近地小行星有较大可能撞击地球,但是截至 2021 年 10 月,估计只有大约 40% 的此类小行星已经被人类发现。所以,小行星防御必然是科学界和政府间合作的一个重要领域。