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2023-01-31
NASA成功撞擊小行星：防御地球還是昂貴的作秀？
更新時間：2022-09-27 10:38:41作者：智慧百科
【文/觀察者網(wǎng) 李澤西】
探月發(fā)射計劃連續(xù)“鴿”了多次的美國航天局NASA，終于有些好消息了：它實現(xiàn)了人類歷史上首次改變小行星軌跡的嘗試。
北京時間27日早上7:14，NASA和約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室聯(lián)合開展的“雙小行星改道測試”（DART）航天器離地球1140萬公里處成功撞擊“65803 雙生星”的衛(wèi)星“雙衛(wèi)一”。這是NASA旗下“行星防御協(xié)調(diào)辦公室”自2016年創(chuàng)立以來的首次“防御”項目。
撞擊前最后幾秒鐘航天器傳回來的圖像（圖源：NASA）
該航天器主體高1.2米，長寬均為1.3米，重量僅570公斤。用它撞擊重數(shù)百萬噸的“雙衛(wèi)一”，似乎完美的詮釋了“以卵擊石”。航天器的撞擊速度達每秒6.6公里，能夠降低“雙衛(wèi)一”時速約1.5米。
藍標從左到右：“DART”航天器，“雙衛(wèi)一”，“雙生星”尺寸對比，“DART”太陽能電池板展開后長度可達19米，但是主體遠遠沒有這么大（圖源：NASA）
“雙小行星改道測試”還包括子探測器“LICIACube”，在9月12日早上7:14從主航天器剝離，于27日早上7:17飛經(jīng)“雙衛(wèi)一”。該探測器是意大利首次獨自運行的深空探索衛(wèi)星，旨在配合撞擊任務(wù)，收集撞擊后的探測數(shù)據(jù)，并在未來幾天內(nèi)逐漸將所獲數(shù)據(jù)傳輸回地球。
除了意大利獨自的參與，歐洲航天局還計劃于2024年發(fā)射“Hera”探測器，2027年抵達“雙生星”所在區(qū)域，以開展更加深入的科學(xué)探測，包括撞擊給“雙衛(wèi)一”所帶來的動量和撞擊隕坑的形態(tài)，以全面評估此次撞擊的“效率”，從而提高人類對于如何最有效地改變小行星軌跡的實踐經(jīng)驗。
如果“雙衛(wèi)一”是一顆堅固的實心小行星，那么航天器只能在其表面砸出一個小坑，“雙生星”與“雙衛(wèi)一”之間的距離會有所縮短；但如果“雙衛(wèi)一”是由大量碎巖組成的，撞擊會把大量巖石送入太空，如同“發(fā)動機”一般的推力將讓兩顆小行星的距離顯著縮短。
NASA撞擊“雙衛(wèi)一”示意圖
人類首次有意識地改變小行星軌跡
美國和歐洲航天局在2015年開展“改變小行星軌跡”的“艾達任務(wù)”合作，原本計劃歐洲于2021年線進行“小行星撞擊任務(wù)（AIM）”來詳細探測小行星特性，為“雙小行星改道測試”探路。然而，歐洲航天局由于德國選擇專注探索火星，拒絕提供足夠經(jīng)費而放棄了自己的計劃，改為附屬美國航天局的計劃。
“雙小行星改道測試”航天器于2021年11月24日發(fā)射，利用馬斯克旗下“SpaceX”的“獵鷹9號”飛船升天。本來，航天器配有進化氙氣推進器“NEXT”，利用太陽能提供的能量加速氙粒子到每秒40公里作為推力，不過因為“獵鷹9號”較高的效率，“NEXT”推進器幾乎沒有真正用上。
航天器上配備了“SMART Nav”自主“導(dǎo)航”系統(tǒng)，可自動識別和區(qū)分“雙生星”和“雙衛(wèi)一”，據(jù)此與其他數(shù)據(jù)調(diào)整航天器的軌跡。
在9月初，航天器最后確認了“雙衛(wèi)一”的軌跡，同時確定其軌跡未受除了引力以外的其他外力的顯著影響，這樣可以肯定其軌跡變化完全源自撞擊。在航天器撞擊“雙衛(wèi)一”的瞬間，它距離地球1140萬公里，光需38秒跨越該距離。
“雙小行星改道測試”航天器（粉）從地球（深藍）駛向“雙生星”（綠）的途徑（圖源：Phoenix7777）
負責(zé)這次撞擊的“行星防御協(xié)調(diào)辦公室”，專門檢測和追蹤近地小行星，鑒別飛向地球的大型物體，并提出轉(zhuǎn)移方案。盡管這是該署首次“防御地球”的任務(wù)，且“雙生星”被認為是對地球構(gòu)成潛在危險的天體，不過NASA稱地球未來幾百年內(nèi)不受到“雙生星”或“雙衛(wèi)一”的威脅，這次項目純粹為了科學(xué)和測試意義。NASA和歐洲航天局均稱撞擊力度只會改變“雙衛(wèi)一”的軌跡不到1%，不足以使得這兩個天體轉(zhuǎn)而“瞄準”地球。
根據(jù)NASA提供的定義，“潛在威脅天體”需直徑大于140米，據(jù)地球最近距離為750萬公里以內(nèi)，即地月距離的19.5倍?！半p生星”系統(tǒng)于2003年據(jù)地球718萬公里，根據(jù)撞擊前的數(shù)據(jù)，預(yù)計將于2123年據(jù)地球590萬公里；“雙生星”直徑為780米左右，而“雙衛(wèi)一”直徑為160米左右。
“雙生星”于1996發(fā)現(xiàn)，在2003年被美國阿雷西博天文臺證實有自己的衛(wèi)星，因此被命名為“雙生星”（Didymos）。
“雙生星”直徑與羅馬斗獸場差不多（圖源：NASA）
“雙衛(wèi)一”在2020年正式獲國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）起名為“Dimorphos”，在希臘語中意為“有兩種形態(tài)”；根據(jù)國際天文學(xué)聯(lián)合會，這凸顯“‘雙衛(wèi)一’將是首個受人為干涉（撞擊）而改變運行形態(tài)的天體”。提出名稱的希臘星球科學(xué)家克萊奧門尼斯·欽加尼斯（Kleomenis Tsiganis）曾表示，“雙衛(wèi)一”由“雙小行星改道測試”航天器看到時將是一個形態(tài)，2027年“Hera”探測器所觀測到的將是另一個形態(tài)。
在27日之前，“雙衛(wèi)一”與“雙生星”中心相距約1190米，此前以近乎正圓（離心率小于0.05）的軌道運行，軌道周期為11小時55分鐘。NASA逆著“雙衛(wèi)一”的運行軌道撞擊它，降低其時速約1.5米，從而使其按照更小的橢圓軌道運行，同時降低其軌道周期10分鐘（成為11小時45分鐘）。這是因為NASA認為，如果從相反方向撞擊，將其軌道周期延長至12小時左右，或與地球的晝夜循環(huán)高度重合，恐增添測量難度。
“雙衛(wèi)一”每次經(jīng)過“雙生星”前方時都會遮擋光線；通過測量亮度變化的頻率，科學(xué)家可在未來數(shù)十小時內(nèi)得出其新的軌道周期，從而判斷測試成果。
如何避免恐龍滅絕的命運？
小行星能夠帶來生命，也能毀滅生靈。目前關(guān)于月球形成最普遍接受的看法是“大碰撞說”，即剛形成的地球與一個火星大小的天體碰撞，形成了月球?？茖W(xué)家認為，月球穩(wěn)定了地球的自轉(zhuǎn)，免其不時大規(guī)模改變自轉(zhuǎn)而造成頻繁的大滅絕，月球帶來的潮汐加快了物種“登陸”的速度，月球甚至可能是地殼運動的一大推力。此后撞擊地球的小行星隨身攜帶著地球表層現(xiàn)有的水；在地球形成期間，其高溫不允許大量水分滯留?？梢哉f沒有小行星撞擊，或許就沒有人類。
然而，人們最熟悉的一次小行星撞擊事件恐怕是66億年前促使恐龍滅絕的?？颂K魯伯隕石，它直徑約為10公里，重約1億億噸。這促使了所有非鳥類恐龍以及全球75%動植物種滅絕。在當(dāng)代最著名的隕石撞擊事件是2013年車里雅賓斯克隕石撞擊事件，一個直徑約20米，重約1萬噸的隕石在俄羅斯上空爆炸，致數(shù)千人受傷。
2013年車里雅賓斯克隕石撞擊事件（圖源網(wǎng)絡(luò)）
相較這兩顆小行星，“雙生星”和“雙衛(wèi)一”不大不小，直徑在100米和1公里之間?！半p生星”重約5.4億噸，而“雙衛(wèi)一”重約480萬噸。相比而言，570公斤重的“雙小行星改道測試”航天器，連小行星的零頭都算不上，能顯著改變“雙衛(wèi)一”的軌跡已實屬不易。
2021年底播出的諷刺電影《不要抬頭》講述的就是小行星即將撞擊地球之際，地球上的美國政府一開始忽略威脅，后因小行星含有珍貴金屬而放棄改變其軌跡的計劃，企圖使用核彈打碎小行星以開采，失敗后引來人類末日。該片意在諷刺多國政府和媒體等組織就氣候變化威脅的不作為，不過也引發(fā)了人們對于來自小行星威脅的擔(dān)憂。
《不要抬頭》劇照
在現(xiàn)實生活中，有研究認為用核彈打碎或打偏飛向地球的小行星確實是個可行的方案，且成功率和效率其實都很高，“最后一刻”反應(yīng)過來都可能來得及，但也有研究強調(diào)其不確定性，難以預(yù)測碎片飛行軌跡，可能危機人類通訊所需的人造衛(wèi)星，且有使用核武器本身的風(fēng)險。地球上多國政府和組織也都在追蹤近地天體的軌跡，并進行盡可能遠期的途徑預(yù)測，避免臨時發(fā)現(xiàn)撞地小行星。
今年4月，美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院發(fā)布了行星科學(xué)“十年規(guī)劃”，將“行星防御任務(wù)”列為美國未來十年的重點項目之一。
“雙小行星改道測試”協(xié)調(diào)負責(zé)人南?！げ椴┨兀∟ancy Chabot）警告說，如果要讓這種“動能撞擊器技術(shù)”發(fā)揮作用，太空機構(gòu)必須盡早發(fā)現(xiàn)有威脅的小行星，以便于航天機構(gòu)執(zhí)行任務(wù)，“這不是你能拖到最后一刻才做的事，你需要提前多年采取行動?！?/p>
根據(jù)2021年的一次模擬，NASA的科學(xué)家認為，如果要避免小行星直擊地球，需提前5到10年就進行準備。這是因為據(jù)撞擊預(yù)計時間較久的話，較小的軌跡改動也隨著時間和距離而產(chǎn)生較大的位置改動，從而能夠輕松化解潛在威脅。
據(jù)長征三號甲系列火箭總設(shè)計師兼總指揮龍樂豪7月介紹，中國或?qū)⒂?026年獨立開展小行星軌跡改變的“近地小行星‘2020 PN1’防御系統(tǒng)”任務(wù)。
龍樂豪介紹“近地小行星‘2020 PN1’防御系統(tǒng)”任務(wù)
一場昂貴的作秀？
對于此次發(fā)射，行業(yè)專家的看法褒貶不一。項目負責(zé)人查博特認為，這次測試非常重要，以確保等到需要的時候人類可以改變撞地小行星軌跡。
佛羅里達理工學(xué)院航空航天、物理學(xué)和空間科學(xué)副教授馬庫斯·威爾德（Markus Wilde）向“Mashable”表示，人類當(dāng)前對于小行星可謂毫無防備，這次測試有助于增強人類防范能力。
貝爾法斯特女王大學(xué)天體物理學(xué)家艾倫·菲茨西蒙斯（Alan Fitzsimmons）認為，“雙小行星改道測試”目的在與測試我們從未嘗試的小行星軌跡改變技術(shù)，如果地球面臨小行星撞擊的可能，需采用類似的技術(shù)。
不過，也有專家質(zhì)疑該項目具體實現(xiàn)的目的。航天愛好者，英文電子雜志“Go Taikonauts”創(chuàng)辦人陳藍向觀察者網(wǎng)表示，航天器質(zhì)量太小，難以對真正有威脅的小行星造成影響，從科學(xué)角度來看，“撞一下拿些數(shù)據(jù)未嘗不可”，但是結(jié)果“靠理論計算也基本靠譜”，專門為此立項合理性不足。
該項目共耗費NASA超過3億美元。2005年的“深度撞擊號”就曾撞擊“坦普爾1號” 彗星，那次的目標是探測彗星的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)構(gòu)成，并未刻意嘗試改變其軌跡。不過，“深度撞擊號”撞擊產(chǎn)生的能量接近引爆5噸TNT炸藥，而撞擊速度相對較慢的“雙小行星改道測試”航天器撞擊產(chǎn)生的能量僅約為引爆3噸TNT炸藥。當(dāng)然，由于“雙衛(wèi)一”不停圍繞同一小行星，其軌道變化更易于觀測，因此也無需大力撞擊。
“深度撞擊號”撞擊“坦普爾1號” 彗星瞬間
北京理工大學(xué)空間政策與法律研究院院長王國語認為，雖然驗證行星防御能力對于保障人類免受小行星撞擊風(fēng)險有重要意義，但相關(guān)技術(shù)能力也具有潛在的軍事用途；為避免誤解誤判，行星防御能力驗證也應(yīng)考慮相關(guān)信息的公開透明，并應(yīng)鼓勵以國際合作的形式來開展。
陳藍認為，抓取大石頭撞擊小行星意義更大；這就是中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員李明濤、周炳紅等人提出的“以石擊石”設(shè)想。但是用航天器撞擊，以期待采取這種方式面對有朝一日的撞地小行星不太可行。他表示，這個實驗非技術(shù)意義更大，“像NASA為國會進行的一場表演，為了獲取更多的撥款”。
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