主动防御!人类航天器首次深空奔袭撞击小行星
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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

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

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

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

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“”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。图片来源:NASA

DART在撞击瞬间的高清画面准确传回。图片来源: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

“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

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