導(dǎo)讀：地球并非在絕對靜止的真空中孤獨(dú)航行。事實(shí)上，我們的星球每一天都在承受著約數(shù)十噸宇宙塵埃與微小顆粒的密集轟擊。雖然大氣層這道天然屏障為我們擋住了絕大多數(shù)細(xì)碎的威脅，但那些直徑超過 140 米、足以摧毀整座城市乃至造成區(qū)域性災(zāi)難的近地天體（NEO），絕大多數(shù)仍游離于人類的監(jiān)測網(wǎng)之外。

長期以來，面對潛在的小行星撞擊，人類的劇本似乎只有“祈禱”或“逃離”。然而，2022年9月NASA雙小行星重定向測試（DART）的驚天一撞，徹底改寫了這一敘事。這不僅是一次軌道力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，更是人類星際防御能力的里程碑。

新研究揭示，當(dāng)NASA的DART航天器于2022年9月故意撞擊孿小星（Dimorphos）時(shí)，它不僅僅改變了孿小星圍繞其較大伴侶孿大星（Didymos）的運(yùn)動(dòng)；這次撞擊還改變了這兩顆小行星圍繞太陽的軌道。通過引力連接在一起，孿達(dá)星和孿小星圍繞一個(gè)共同的質(zhì)量中心相互環(huán)繞，這種配置被稱為雙星系統(tǒng)，因此對一顆小行星的改變會(huì)影響另一顆。

根據(jù)周五發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)研究，對這對小行星運(yùn)動(dòng)的觀察顯示，在DART航天器撞擊孿小星后，它們圍繞太陽的770天軌道周期改變了幾分之一秒。這一變化標(biāo)志著人類制造的物體首次可測量地改變了天體圍繞太陽的路徑。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在NASA的DART航天器撞擊孿小星幾天后，觀察到從孿達(dá)星-孿小星系統(tǒng)噴射出的兩條塵埃尾巴。

圖片來源：NASA, ESA, Jian-Yang Li (PSI), Joe Depasquale (STScI)）

“這是一個(gè)微小的軌道變化，但如果時(shí)間足夠長，即使是微小的變化也能成長為顯著的偏轉(zhuǎn)，”華盛頓NASA總部太陽系小天體首席科學(xué)家Thomas Statler說。“團(tuán)隊(duì)的驚人精確測量再次驗(yàn)證了動(dòng)能撞擊作為防御地球免受小行星危害的技術(shù)，并展示了如何通過僅撞擊雙小行星對中的一員來偏轉(zhuǎn)雙小行星。”

強(qiáng)烈的撞擊

當(dāng)DART撞擊孿小星時(shí)，這次撞擊將大量的巖石碎片炸向太空，改變了這個(gè)寬170米的小行星形狀。因?yàn)樗槠瑪y帶著自身的動(dòng)量遠(yuǎn)離小行星，它給了孿小星一個(gè)爆炸性的推力，科學(xué)家稱之為動(dòng)量增強(qiáng)因子。噴射出的碎片越多，沖擊力越大。根據(jù)新研究，DART撞擊的動(dòng)量增強(qiáng)因子約為2，這意味著碎片損失使航天器本身的沖擊力翻倍。

NASA的雙小行星重定向測試任務(wù)改變了孿小星繞太陽運(yùn)行的軌道

圖源：NASA/JPL

早期的研究顯示，這顆較小小行星圍繞近805米寬的孿大星的12小時(shí)軌道周期縮短了33分鐘。新研究顯示，這次撞擊從雙星系統(tǒng)中噴射出如此多的物質(zhì)，以至于它還將雙星圍繞太陽的軌道周期改變了0.15秒。

“雙星系統(tǒng)軌道速度的變化約為每秒11.7微米，或每小時(shí)1.7英寸，”伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究首席作者Rahil Makadia說。“隨著時(shí)間推移，這種小行星運(yùn)動(dòng)的微小變化可能決定一個(gè)危險(xiǎn)物體是撞擊還是錯(cuò)過我們的星球。”

雖然孿小星并沒有與地球碰撞的軌道，而且DART任務(wù)不可能將其置于碰撞軌道上，但軌道速度的變化強(qiáng)調(diào)了航天器，在此背景下稱為動(dòng)能撞擊器，如果未來發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)小行星處于碰撞路徑上，可能發(fā)揮的作用。關(guān)鍵是提前足夠遠(yuǎn)地探測近地物體，以發(fā)送動(dòng)能撞擊器。

為此，NASA正在建造近地物體（NEO）勘測器任務(wù)。由加州南部NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理的這個(gè)下一代太空勘測望遠(yuǎn)鏡是第一個(gè)為行星防御而建的任務(wù)。該任務(wù)將尋找一些最難發(fā)現(xiàn)的近地物體，如不反射太多可見光的黑暗小行星和彗星。

他們是如何做到的?

為了證明DART對兩顆小行星，不僅僅是較小的孿小星，產(chǎn)生了可檢測的影響，研究人員需要以極高的精度測量孿大星圍繞太陽的軌道。因此，除了對小行星進(jìn)行雷達(dá)和其他地面觀測外，他們還跟蹤了恒星掩星，這種現(xiàn)象發(fā)生在小行星正好從一顆恒星前方經(jīng)過時(shí)，導(dǎo)致光點(diǎn)在幾分之一秒內(nèi)閃爍消失。這種技術(shù)提供了小行星速度、形狀和位置的極精確測量。

DART撞擊后，孿小星出現(xiàn)碎片尾流

圖源：NASA

測量恒星掩星具有挑戰(zhàn)性：天文學(xué)家必須在正確的時(shí)間和地點(diǎn)，使用有時(shí)相隔數(shù)英里的多個(gè)觀測站，來跟蹤小行星在特定恒星前方預(yù)測的路徑。該團(tuán)隊(duì)依靠全球志愿天文學(xué)家，他們在2022年10月至2025年3月間記錄了22次恒星掩星。

“當(dāng)與多年的現(xiàn)有地面觀測相結(jié)合時(shí)，這些恒星掩星觀測成為幫助我們計(jì)算DART如何改變孿小星軌道的關(guān)鍵，”研究共同領(lǐng)導(dǎo)者、JPL高級研究科學(xué)家Steve Chesley說。“這項(xiàng)工作高度依賴天氣，并且往往需要前往偏遠(yuǎn)地區(qū)，沒有成功的保證。沒有全球數(shù)十名志愿掩星觀測者的奉獻(xiàn)，這項(xiàng)結(jié)果是不可能實(shí)現(xiàn)的。”

研究孿大星運(yùn)動(dòng)的變化還幫助研究人員計(jì)算了兩顆小行星的密度。孿小星的密度比之前認(rèn)為的略低，這支持了它是由快速旋轉(zhuǎn)的孿大星拋出的巖石碎片形成的理論。這些松散的物質(zhì)最終聚集在一起形成了孿小星，一個(gè)“碎石堆”小行星。

參考

[1]https://www.nasa.gov/missions/dart/nasas-dart-mission-changed-orbit-of-asteroid-didymos-around-sun

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea4259