封面图：美国宇航局的双小行星重定向测试（DART) 探测器与其撞击目标——双星小行星系统艺术合影。图片来源：NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben 如果有一天，原本安分守己的小行星突然狂性大发要撞地球了该怎么办？我们会重蹈恐龙的覆辙么？别担心，人类已经迈开了积极应对的第一步。 北京时间2022年9月27日清晨7点14分，由美国宇航局（NASA）发射的一颗双小行星重定向测试任务（DART）探测器，在历经了十个月的太空飞行后，终于抵达了自己既定命运的终点站——双星小行星迪迪莫斯（Didymos）和迪莫佛斯（Dimorphos）轨道附近，最终以每小时23760公里的悲壮姿态一往无前地撞向小行星迪莫佛斯，结束了自己短暂而瞩目的一生，为人类的行星防御战揭开了历史性的篇章。本期赛先生天文，让我们聚焦虽死犹生的“人类飞镖”——DART探测器。 北京时间 2021 年 11 月 24 日 14 时 21 分，NASA使用SpaceX猎鹰9号火箭，将一颗双小行星重定向测试任务（DART）探测器从美国加州范登堡空军基地发射升空。而DART的任务就是探访两颗近地小行星（见图1），这也开启了人类行星防御的首次演习。 图1：“人类飞镖”DART探测器的轨道动图，其中黄点代表太阳，蓝色代表地球实时轨迹，绿色代表此次探访的两颗近地小行星的实时轨迹，紫色代表DART探测器的实时轨迹，青色、橙色分别代表另外两颗近地小行星2001 CB21和Orpheus的实时轨迹。图片来源：Phoenix7777 实际上，这并非是人类首次向近地小行星发射探测器，前有日本宇航局（JAXA）发射的隼鸟2号（Hayabusa2），后有NASA发射的冥王号（OSIRIS-REx）。不过，与这些前辈探测器不同，这枚英文缩写意为飞镖的探测器，不再重复“登陆→取样”的老路，自诞生之日起，它就注定要踏上一条无法返航的粉身碎骨之旅。 众所周知，除主星太阳外，太阳系主要由八大行星组成，这八颗行星又可以根据大小、成分进一步细分为两大阵营：一类是以地球为代表的岩石类行星，另一类则是以木星为首的体型庞大的（气态/冰）巨行星。有意思的是，太阳系内的这两个行星阵营楚河汉界、泾渭分明，距离最近的类地行星火星与气态巨行星木星之间，恰恰隔了一道天堑，即为小行星遍布的小行星带（Main Asteroid Belt）。 小行星带是太阳系内小行星最为密集的区域。据估计，小行星带中的小行星数目高达几百万颗，大小从（约）直径525千米（灶神星Vesta）到小于10米不等，其中直径超过1千米的小行星约为110-190万颗，更小的小行星也有几百万颗之巨 [1] 。这些小行星大多形状不规则，外表坑坑洼洼，仿若历经风霜、饱受摧残。事实上，这些小行星确实是（约）46亿年前太阳系形成早期遗留下来的残骸，曾见证了太阳系早期诸多激烈动荡的演化史。 历经千帆的小行星们，现下和整个太阳系一样趋于平静，它们大多轨道稳定，以近圆或椭圆轨迹绕太阳转动，日复一日、年复一年，和地球之间井水不犯河水。不过，仍有部分小行星，它们的轨道或由于木星的巨大引力扰动，或由于火星（等天体）的近距离交汇而改变，进入火星轨道之内，接近甚至穿过地球轨道。一般的，近日点距离小于1.3地日距离的这一类小行星即称为近地小行星（NEAs）。 图2：过去20年间，已探知的近地小行星（图中青色点）与太阳系八大行星轨迹图 。图片来源：NASA/JPL-Caltech 目前，已记录在案的近地小行星群体超过29000颗（见图2），其中大小超过140米的近地小行星数目也超过了10000颗，这些小行星中潜藏了一些令我们寝食难安的危险分子 [2] 。要知道，如果一颗个头超过10千米的小行星直直撞向地球，则足以造成全球性的物种大灭绝。所幸，大块头的小行星为数不多，与地球轨道交汇的概率更低。 据估计，平均亿年间，才可能有一颗大小10千米左右的小行星撞上地球；数十万年间，地球才可能遭遇一颗千米大小的小行星撞击。以我们人类短暂的文明史来看，暂可忽略不计。不过，个头越小的天体，撞上地球的概率越高。一个大小超过140米的小行星，或许将在两万年间造访地球。这类小行星虽然个头不大，伤害却不小，如果它撞击到陆地，可能将直接摧毁一座小型城市，即使它撞击到海洋，也将引发威力巨大的海啸 [3] 。 这些未来可能发生的惊心动魄的情节，成为众多灾难电影的灵感来源，人类的渺小与挣扎所引发的共鸣，根植于心的英雄主义情怀，无一不是票房收割的利器。无论是早年间的《世界末日》（Armageddon ），还是今年上映的《独行月球》，荧幕前的观众都在为一个个救世主般的英雄欢呼雀跃，而在荧幕之外的现实之中，确确实实有那么一群科学家，正在默默无闻的将艺术落地为现实，为人类百千万年后的危机未雨绸缪。 那么，如何为百千万年后的人类，阻拦下疾驰而来的小行星冲击？这正是需要举全球之力方能开展的行星防御，即利用行星科学来解决近地小行星（小天体）撞击危险的艰巨任务。 在很多灾难电影中，人类都选择通过核爆炸毁那颗即将撞向地球的小行星，在一片璀璨夺目的烟火中，拯救文明于既倒。当然，我们也可以不那么眩目地抛出一颗飞镖，打偏小行星原有的行进方向，最终与地球擦肩而过各自安好。 此次由美国宇航局掷出的“飞镖”——DART探测器，正剑指小行星迪莫佛斯（Dimorphos）。在此之前，人类已经累计了一些小天体撞击的经验。比如，早在2005年，美国宇航局的深度撞击号（Deep Impact）探测器通过释放撞击器成功撞击了坦普尔1号彗星的彗核 [4] ；2019年，日本宇航局的隼鸟2号探测器通过释放撞击器在小行星龙宫（Ryugu）上撞出了一个大坑 [5] 。所以，撞击小行星在当今的技术水平下，并非难事。但撼动一颗小行星，使之产生可观测的偏离，却也绝非易事。 要知道，小行星迪莫佛斯的直径约为160米（见图3），估重约为50亿公斤，而这颗人类飞镖DART探测器，即使展开其太阳能板全长也不足20米，撞击质量预计约为570公斤 [6] 。不难想象，这样一颗人类小飞镖投掷上去，带给迪莫佛斯的影响着实有限。 图3：与罗马角斗场大小相当的迪莫佛斯。图片来源：ESA 如果迪莫佛斯是一颗特立独行的小行星，这种影响引发的公转轨道改变微乎其微，恐怕以现有的技术手段都难以探知。但妙就妙在迪莫佛斯隶属于一个双星小行星系统，距离其（约）1.18公里处，有一颗主导伴星——小行星迪迪莫斯 [6] 。 相较于迪莫佛斯，迪迪莫斯可谓体型庞大，直径约为780米。所以，迪莫佛斯常常也被视为小行星迪迪莫斯的卫星。迪迪莫斯的公转周期约为2.1年，轨道离心率达到0.38（即它的椭圆轨道有点“扁”，不像地球轨道那么圆），虽然被划分为近地小行星中的潜在危险群体，但其轨道实际与地球并无交汇。 两颗小行星彼此绕转，绕转周期不到12小时，其中一者微小的速度改变都将明显地体现在两者的双星轨道上。比如，若迪莫佛斯由于探测器的撞击而速度减缓，则双星系统的绕转轨道将望远镜可见地缩小（见图4）。据测算，如果DART探测器以它的身量能以每秒6千米的速度迎头撞向迪莫佛斯，将导致两者之间的绕转周期缩短几分钟 [7] ，这一轨道变化，对于现有的探测技术不在话下。 不仅如此，由DART探测器撞击带来的动能冲击，在迪迪莫斯引力主导的环境下，并不足以破坏小行星迪莫佛斯的稳定性，引发可怕的连锁反应。所以，虽然迪莫佛斯和迪迪莫斯两者彼此绕转，岁月静好，（几）百年内都不会对地球构成实际威胁，但仍然难逃觊觎，成为人类开展行星防御实验的首选地。 图4：DART探测器的撞击将改变双星系统中小行星的绕转轨道（由白色的原有轨道变为蓝色的新轨道）。图片来源：NASA/Johns Hopkins APL 北京时间2022年9月27日晨6点54分，在历经十个月的太空旅程后，DART探测器终于精准锁定了小行星迪莫佛斯，20分钟后，切断了所有推进器的DART探测器以每小时23760公里的速度一头撞上了小行星迪莫佛斯，粉身碎骨 [8] 。 此时此刻，双星小行星迪莫佛斯与迪迪莫斯刚好飞掠地球上空，DART探测器的葬身之地距离它的诞生地（最近时）不过1100万公里。虽然这个距离范围，并不足以让地面的望远镜们一窥撞击全貌，却也是个千载难逢的观测良机。 比如，由NASA和夏威夷大学的合作项目——小行星对地撞击最后警报系统（ATLAS）项目，就利用世界各地的四台望远镜追踪小行星迪莫佛斯，其中作为撞击事件的最佳观测地点——南非萨瑟兰观测站拍摄到了一段高能的撞击画面（见图5），捕捉到了小飞镖DART探测器陨灭时的刹那璀璨。 图5: ATLAS拍摄到了DART探测器与小行星迪莫佛斯撞击的小视频。视频来源：ATLAS Project, University of Hawaii via Storyful
磨刀霍霍的地基望远镜们也可以利用掩星法，通过观测双星系统中小行星反射光的周期性亮度变化，推断双星小行星系统在碰撞前后的轨道周期改变情况。 目前，世界各地的多个天文台早已枕戈待旦，包括在前一段时间大出风头的韦布太空望远镜也已调整方向，共同参与这场观测的盛宴。 通过本次小行星撞击偏向试验，人类有望通过迪莫佛斯的（双星）轨道变化，获取真实的撞击数据。在此之前，科学家们往往只能窝在实验室里制造些微小的撞击事件，并据此构建计算模型，至于这些计算模型是否适用于物理性质复杂的小行星犹未可知。而DART的撞击结果将验证，甚至提升计算模型的准确性 [9] 。 当然，DART探测器的牺牲，意义远不止于此，圆满完成撞击任务的DART探测器开辟了小行星试验场的先河，成功验证了诸如自主导航、新型离子推进系统等各项新技术的可行性 [10] ，为应对未来可能面临的小行星撞击危机，趟出了一条光明前路。 为了初步评估撞击试验的成果，DART探测器在设计之初便自带摄影师——一颗称之为LICIACube的轻型立方卫星，用于小行星成像。该卫星由意大利航天局（ASI）部署，包含两个光学相机，早在撞击几周前就已脱离DART探测器单飞 [8] 。根据计划，该立方卫星通过轨道调整，在DART探测器撞击约3分钟后飞掠过撞击地点，拍摄确认撞击状况，观察碰撞后的物质喷溅情况（见图6），并将照片传回地球。 日前，由LICIACube拍摄的第一批图像业已传回，科学家们仍在对这些图片进行详尽的科学分析，比如评估小行星迪莫佛斯在本次撞击中的受损情况、撞击引发的喷流等等。 图6：由LICIACube拍摄的四张小行星迪莫佛斯被DART探测器撞击前后的图像。图片来源：ASI/NASA 也许不久后，我们还能看到迪莫佛斯表面新鲜出炉的撞击坑，欣赏到DART探测器永远都不可能看到的另一个半球的风景。 不过，想要深入了解DART探测器的撞击成果，还需要另一个后继者。由欧洲航天局（ESA）制定的赫拉号（Hera）将担此重任 [11] 。赫拉号由一个主探测器和两个伴生立方卫星组成（见图 7）。按照计划，赫拉号将于2024年发射，并在2026年底（DART探测器撞击四年后）抵达小行星迪迪莫斯附近，针对DART探测器碰撞试验，开展后续的深入探测，包括对小行星表面陨石坑的测量，和撞击后动力学效应的详细研究。作为再次造访的人类探测器，赫拉号有望进一步明确迪莫佛斯的质量，极大地扩展人类的行星防御知识。 当然，行星防御需要全世界人类的共同努力，中国也将组建近地小行星防御系统，争取在2025年或2026年实施一次小行星撞击防御试验，为人类应对小行星等地外天体对地球家园的威胁尽一份力。 图7：欧洲航天局赫拉号及其两个子卫星调研DART探测器撞击产生陨石坑的示意图。图片来源：ESA 回首整个太阳系的演化史，撞击从未缺席，尤其在尚未划定势力范围的早期，太阳系曾处处硝烟弥漫。今时今日，太阳系内仍残留着往昔大碰撞的印记。 我们也许要感谢碰撞，地球正是在无数次碰撞中孕育成长，而头顶那颗为无数文人墨客提供了大量创作灵感的月球（当然除了精神层面，也有很大的实际作用），可能也正诞生于约45亿年前的一次大碰撞 [12,13] 。不过，恐龙如果在天有灵的话或许会强烈反对这一论调，因为导致恐龙灭绝的罪魁祸首，很有可能正是6500万年前的一颗直径约12公里、名为希克苏鲁伯的小行星 [14] 。 然而，人类虽然很幸运地错过了希克苏鲁伯所引发的生物大灭绝事件，虽然未来百年人类大概率也不会目睹到一颗直径超过140米的小行星撞向地球。但正如同第二只靴子终将落下，毁天灭地的小行星必将在某一天大驾光临。如果在此之前，人类还没有因为环境污染、全球变暖、大流行疾病、能源短缺、自相残杀等等而灭绝的话，届时，但愿我们可以从容不迫地应对这颗来势汹汹的天外访客。 而一切的起点，不过来自于2022年9月27日晨时小行星迪莫佛斯表面升腾起的那一片烟尘（见图8）。 图8：DART探测器撞向小行星迪莫佛斯后喷溅物四射的艺术效果图。图片来源：ESA–ScienceOffice.org [1] https://solarsystem.nasa.gov/asteroids-comets-and-meteors/asteroids/in-depth [2] NASA/JPL CNEOS "Discovery Statistics – Cumulative Totals" https://cneos.jpl.nasa.gov/stats/totals.html [3]孙维新《防卫地球的第一击——飞镖任务》, https://udn.com/news/story/7340/6636262?from=udn-relatednews_ch2 [4] Justin Ray. Delta Launch Report: Overview of NASA's Deep Impact comet mission. Spaceflight Now . 2005-01-09. [5] New Photos Show the Surprisingly Big Crater Blasted Into Asteroid Ryugu by Japan's Hayabusa2 Probe, George Dvorsky, Gizmodo , 22 May 2019. [6] Didymos—The Ideal Target for DART's Mission, https://dart.jhuapl.edu/Mission/index.php [7] 行星事务所 《出发，撞小行星，为恐龙报仇去！》, https://www.zhihu.com/question/501257766 [8] Tariq Malik：DART asteroid crash: What time will NASA probe hit Dimorphos on Sept. 26, https://www.space.com/dart-asteroid-impact-crash-what-time [9] Four Things to Know About DART, https://dart.jhuapl.edu/Press-Kit/index.php [10] https://dart.jhuapl.edu/Mission/Impactor-Spacecraft.php [11] Michel, P., et al. (2022). The ESA Hera Mission: Detailed Characterization of the DART Impact Outcome and of the Binary Asteroid (65803) Didymos. The Planetary Science Journal , Volume 3, Number 7 (on open access). [12] Hartmann, W. K., & Davis, D. R. (1975). Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504-515. [13] Canup, R. M., & Asphaug, E. (2001). Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation. Nature, 412(6848), 708. [14] Peter Schulte, et al. (2010). The Chicxulub Asteroid Impact and Mass Extinction at the Cretaceous-Paleogene Boundary, Science, 327(5970): 1214 - 1218.
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