NASA航天器撞击小行星，一场昂贵的作秀？

本文来自微信公众号：观网财经（ID：tiequanhe），作者：李泽西、连政，原文标题：《人类首次行星防御演习，成功了》，题图来自：《不要抬头》
探月发射计划连续“鸽”了多次的美国航天局NASA，终于有些好消息了：它实现了人类历史上首次改变小行星轨迹的尝试。
北京时间27日早上7:14，NASA和约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室联合开展的“双小行星改道测试”（DART）航天器离地球1140万公里处成功撞击“65803 双生星”的卫星“双卫一”。这是NASA旗下“行星防御协调办公室”自2016年创立以来的首次“防御”项目。






撞击前最后几秒钟航天器传回来的图像（图源：NASA）
该航天器主体高1.2米，长宽均为1.3米，重量仅570公斤。用它撞击重数百万吨的“双卫一”，似乎完美的诠释了“以卵击石”。航天器的撞击速度达每秒6.6公里，能够降低“双卫一”时速约1.5米。


蓝标从左到右：“DART”航天器，“双卫一”，“双生星”尺寸对比，“DART”太阳能电池板展开后长度可达19米，但是主体远远没有这么大（图源：NASA）
“双小行星改道测试”还包括子探测器“LICIACube”，在9月12日早上7:14从主航天器剥离，于27日早上7:17飞经“双卫一”。该探测器是意大利首次独自运行的深空探索卫星，旨在配合撞击任务，收集撞击后的探测数据，并在未来几天内逐渐将所获数据传输回地球。
除了意大利独自的参与，欧洲航天局还计划于2024年发射“Hera”探测器，2027年抵达“双生星”所在区域，以开展更加深入的科学探测，包括撞击给“双卫一”所带来的动量和撞击陨坑的形态，以全面评估此次撞击的“效率”，从而提高人类对于如何最有效地改变小行星轨迹的实践经验。
如果“双卫一”是一颗坚固的实心小行星，那么航天器只能在其表面砸出一个小坑，“双生星”与“双卫一”之间的距离会有所缩短；但如果“双卫一”是由大量碎岩组成的，撞击会把大量岩石送入太空，如同“发动机”一般的推力，将让两颗小行星的距离显著缩短。


NASA撞击“双卫一”示意图
人类首次有意识地改变小行星轨迹
美国和欧洲航天局在2015年开展“改变小行星轨迹”的“艾达任务”合作，原本计划欧洲于2021年线进行“小行星撞击任务（AIM）”来详细探测小行星特性，为“双小行星改道测试”探路。然而，欧洲航天局由于德国选择专注探索火星，拒绝提供足够经费而放弃了自己的计划，改为附属美国航天局的计划。
“双小行星改道测试”航天器于2021年11月24日发射，利用马斯克旗下“SpaceX”的“猎鹰9号”飞船升天。本来，航天器配有进化氙气推进器“NEXT”，利用太阳能提供的能量加速氙粒子到每秒40公里作为推力，不过因为“猎鹰9号”较高的效率，“NEXT”推进器几乎没有真正用上。
航天器上配备了“SMART Nav”自主“导航”系统，可自动识别和区分“双生星”和“双卫一”，据此与其他数据调整航天器的轨迹。
在9月初，航天器最后确认了“双卫一”的轨迹，同时确定其轨迹未受除了引力以外的其他外力的显著影响，这样可以肯定其轨迹变化完全源自撞击。在航天器撞击“双卫一”的瞬间，它距离地球1140万公里，光需38秒跨越该距离。


“双小行星改道测试”航天器（粉）从地球（深蓝）驶向“双生星”（绿）的途径（图源：Phoenix7777）
负责这次撞击的“行星防御协调办公室”，专门检测和追踪近地小行星，鉴别飞向地球的大型物体，并提出转移方案。尽管这是该署首次“防御地球”的任务，且“双生星”被认为是对地球构成潜在危险的天体，不过NASA称地球未来几百年内不受到“双生星”或“双卫一”的威胁，这次项目纯粹为了科学和测试意义。NASA和欧洲航天局均称撞击力度只会改变“双卫一”的轨迹不到1%，不足以使得这两个天体转而“瞄准”地球。
根据NASA提供的定义，“潜在威胁天体”需直径大于140米，据地球最近距离为750万公里以内，即地月距离的19.5倍。“双生星”系统于2003年据地球718万公里，根据撞击前的数据，预计将于2123年据地球590万公里；“双生星”直径为780米左右，而“双卫一”直径为160米左右。
“双生星”发现于1996年，于2003年被美国阿雷西博天文台证实有自己的卫星，因此被命名为“双生星”（Didymos）。


“双生星”直径与罗马斗兽场差不多（图源：NASA）
“双卫一”在2020年正式获国际天文学联合会（IAU）起名为“Dimorphos”，在希腊语中意为“有两种形态”；根据国际天文学联合会，这凸显“‘双卫一’将是首个受人为干涉（撞击）而改变运行形态的天体”。提出名称的希腊星球科学家克莱奥门尼斯·钦加尼斯（Kleomenis Tsiganis）曾表示，“双卫一”由“双小行星改道测试”航天器看到时将是一个形态，2027年“Hera”探测器所观测到的将是另一个形态。
在27日之前，“双卫一”与“双生星”中心相距约1190米，此前以近乎正圆（离心率小于0.05）的轨道运行，轨道周期为11小时55分钟。NASA逆着“双卫一”的运行轨道撞击它，降低其时速约1.5米，从而使其按照更小的椭圆轨道运行，同时降低其轨道周期10分钟（成为11小时45分钟）。这是因为NASA认为，如果从相反方向撞击，将其轨道周期延长至12小时左右，或与地球的昼夜循环高度重合，恐增添测量难度。
“双卫一”每次经过“双生星”前方时都会遮挡光线；通过测量亮度变化的频率，科学家可在未来数十小时内得出其新的轨道周期，从而判断测试成果。
如何避免恐龙灭绝的命运？
小行星能够带来生命，也能毁灭生灵。目前关于月球形成最普遍接受的看法是“大碰撞说”，即刚形成的地球与一个火星大小的天体碰撞，形成了月球。科学家认为，月球稳定了地球的自转，免其不时大规模改变自转而造成频繁的大灭绝，月球带来的潮汐加快了物种“登陆”的速度，月球甚至可能是地壳运动的一大推力。此后撞击地球的小行星随身携带着地球表层现有的水；在地球形成期间，其高温不允许大量水分滞留。可以说没有小行星撞击，或许就没有人类。
然而，人们最熟悉的一次小行星撞击事件。恐怕是6600万年前促使恐龙灭绝的希克苏鲁伯陨石，它直径约为10公里，重约1亿亿吨。这促使了所有非鸟类恐龙以及全球75%动植物种灭绝。在当代最著名的陨石撞击事件是2013年车里雅宾斯克陨石撞击事件，一个直径约20米，重约1万吨的陨石在俄罗斯上空爆炸，致数千人受伤。
相较这两颗小行星，“双生星”和“双卫一”不大不小，直径在100米和1公里之间。“双生星”重约5.4亿吨，而“双卫一”重约480万吨。相比而言，570公斤重的“双小行星改道测试”航天器，连小行星的零头都算不上，能显著改变“双卫一”的轨迹已实属不易。
2021年底播出的讽刺电影《不要抬头》讲述的就是小行星即将撞击地球之际，地球上的美国政府一开始忽略威胁，后因小行星含有珍贵金属而放弃改变其轨迹的计划，企图使用核弹打碎小行星以开采，失败后引来人类末日。该片意在讽刺多国政府和媒体等组织就气候变化威胁的不作为，不过也引发了人们对于来自小行星威胁的担忧。


《不要抬头》剧照
在现实生活中，有研究认为用核弹打碎或打偏飞向地球的小行星确实是个可行的方案，且成功率和效率其实都很高，“最后一刻”反应过来都可能来得及。但也有研究强调其不确定性，难以预测碎片飞行轨迹，可能危机人类通讯所需的人造卫星，且有使用核武器本身的风险。地球上多国政府和组织也都在追踪近地天体的轨迹，并进行尽可能远期的途径预测，避免临时发现撞地小行星。
今年4月，美国国家科学院、工程院和医学院发布了行星科学“十年规划”，将“行星防御任务”列为美国未来十年的重点项目之一。
“双小行星改道测试”协调负责人南希·查博特（Nancy Chabot）警告说，如果要让这种“动能撞击器技术”发挥作用，太空机构必须尽早发现有威胁的小行星，以便于航天机构执行任务，“这不是你能拖到最后一刻才做的事，你需要提前多年采取行动。”
根据2021年的一次模拟，NASA的科学家认为，如果要避免小行星直击地球，需提前5到10年就进行准备。这是因为据撞击预计时间较久的话，较小的轨迹改动也随着时间和距离而产生较大的位置改动，从而能够轻松化解潜在威胁。
据长征三号甲系列火箭总设计师兼总指挥龙乐豪7月介绍，中国或将于2026年独立开展小行星轨迹改变的“近地小行星‘2020 PN1’防御系统”任务。


龙乐豪介绍“近地小行星‘2020 PN1’防御系统”任务
一场昂贵的作秀？
对于此次发射，行业专家的看法褒贬不一。项目负责人查博特认为，这次测试非常重要，以确保等到需要的时候人类可以改变撞地小行星轨迹。
佛罗里达理工学院航空航天、物理学和空间科学副教授马库斯·威尔德（Markus Wilde）向Mashable博客表示，人类当前对于小行星可谓毫无防备，这次测试有助于增强人类防范能力。
贝尔法斯特女王大学天体物理学家艾伦·菲茨西蒙斯（Alan Fitzsimmons）认为，“双小行星改道测试”目的在于测试我们从未尝试的小行星轨迹改变技术，如果地球面临小行星撞击的可能，需采用类似的技术。
不过，也有专家质疑该项目具体实现的目的。航天爱好者，英文电子杂志“Go Taikonauts”创办人陈蓝向观察者网表示，航天器质量太小，难以对真正有威胁的小行星造成影响，从科学角度来看，“撞一下拿些数据未尝不可”，结果“靠理论计算也基本靠谱”，但是专门为此立项合理性不足。
该项目共耗费NASA超过3亿美元。2005年的“深度撞击号”就曾撞击“坦普尔1号” 彗星，那次的目标是探测彗星的结构与物质构成，并未刻意尝试改变其轨迹。不过，“深度撞击号”撞击产生的能量接近引爆5吨TNT炸药，而撞击速度相对较慢的“双小行星改道测试”航天器撞击产生的能量仅约为引爆3吨TNT炸药。当然，由于“双卫一”不停围绕同一小行星，其轨道变化更易于观测，因此也无需大力撞击。


“深度撞击号”撞击“坦普尔1号”彗星瞬间
北京理工大学空间政策与法律研究院院长王国语认为，虽然验证行星防御能力对于保障人类免受小行星撞击风险有重要意义，但相关技术能力也具有潜在的军事用途；为避免误解误判，行星防御能力验证也应考虑相关信息的公开透明，并应鼓励以国际合作的形式来开展。
陈蓝认为，抓取大石头撞击小行星意义更大；这就是中国科学院国家空间科学中心研究员李明涛、周炳红等人提出的“以石击石”设想。但是用航天器撞击，以期待采取这种方式面对有朝一日的撞地小行星不太可行。他表示，这个实验非技术意义更大，“像NASA为国会进行的一场表演，为了获取更多的拨款”。
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