论文部分内容阅读
一颗直径约13米的小行星有1/4166的概率在2022年5月6日撞向地球。不速之客2年之后造访的消息很快登上了微博热搜。对地球来说，任何一个不速之客的到来，都不能掉以轻心。未来如何抵御可能对地球造成较大撞击威胁的小行星？多年来，各国科学家都在积极寻找方法。例如，2005年7月4日，美国国家航空航天局（NASA）“深度撞击”号发射的撞击舱成功撞击“坦普尔1号”彗星，以研究该彗核的成分，同时间接尝试防御小行星撞击手段。
未雨绸缪
一切就从尝试改道一颗小行星开始。那可不是什么普通的小石头！这颗流星体直径达160米，重约500万吨，以1000千米/小时的速度向地球袭来，足以把像巴黎这样的大都会从地图上抹去。但请放心，它并不会对人类构成威胁：按目前的运行轨迹，它离地球最近时也还有1050万千米。被正式列入NASA官方计划的“双小行星重定向测试计划（DART，意为飞镖）”事实上是一次演练，这个由NASA设计的探测器将于2021年执行任务。
这次全真测试有望在未来拯救全人类。当终结人类的流星体真的冲向地球时，此次试射能让我们提前做好准备。因为此类灾难场景可不是科幻电影，这一天终将到来，必须未雨绸缪，以免大难临头时措手不及，因为不知道能有多少时间来应对。更何况一直以来，小行星撞击地球的威胁被严重低估，而如今计算分析的结果就摆在眼前，让人不得不正视。毫无疑问，威胁的确存在。虽然追踪危险小行星的太空监视系统二十多年前就已启用，但这般大小的天体中只有不到一半受到监控，这更引起科学家的高度重视。此类小行星体积小，颜色暗，很难被发现，所以灾难有可能在毫无预警的情况下出现，置人类于绝境。当然，地球自诞生起就习惯了这样的“奇兵突袭”，想必能一如既往“绝境逢生”。但人类的命运就难说，等待我们的结局也许与恐龙相仿。6500万年前，因为一块直径达1万米的巨型陨石击中现今墨西哥附近的区域，导致恐龙这一物种从地球上彻底消失。但与那些不幸的恐龙不同，人类不会束手待毙，在目前已知的全部自然灾害一一地震、海啸、飓风等之中，这是唯一一个人类有望预测到并规避的！地球望远镜无法覆盖太空的所有区域，尤其是靠近太阳的地方。它们只能观察到直徑大于100米的天体，并只有在晚上才能发挥作用。所以这些望远镜只能发现一半对地球构成潜在威胁的小行星。人类要想真正将命运掌握在自己手里，还需要数年的不懈努力。1969年7月20日下午4时17分42秒，当人类在月球上跨出第一步时，研究人员就已开始设想在火箭上搭载一枚原子弹，用来对付小行星。自那以后，科学家从未停止过畅想，积极寻找应对这一挑战的其他方案。然而相关方案不是太冒险，就是费用高昂，甚至不切实际，于是均被无限期搁置。如今，NASA终于决定启动DART计划，该计划在12年前由欧洲空间局（ESA）率先提出，但因为预算紧张而被束之高阁。
太空甩“飞镖”
首个反小行星武器原型的原理极其简单：向小行星发射一枚火箭，由撞击使小行星改变方向。简言之，NASA将拯救全人类的希望寄托在一局“宇宙桌球”上。该技术被称为动能撞击器，是目前最成熟的方案，适合应对最可能出现的、来自直径不足数百米小行星的那类威胁。
这一致命武器究竟长什么样？第一眼望去，它和科学家平时送往银河系边缘的不起眼探测器没什么两样：铝制外壳外加光学仪器和太阳能板。实际上，这一重达560千克的撞锤无须太多装饰，它依靠的是动能和无与伦比的精准度。撞击器先是需要在一年半的时间内飞越1000万千米并达到6千米/秒的惊人速度（比冲锋枪发射出的子弹还要快10倍），之后便会尝试撞击一颗直径为160米的小行星Didymos B，将自身的一部分能量传递给后者。因为撞击器的质量是其目标的850万分之一，所以该行动犹如蚍蜉撼树：按实际比例来看，就好比用一粒沙子去推动一颗桌球！但根据计算，这手“弹指神通”应该能发挥作用：只要行动足够早，至少在撞击前数年就启动，开始轻微的改向会随着时间积累发挥巨大作用。这也是DART任务所要实现的目标。
为此，天文学家筛选出了最佳目标：Didymos B，它是在1996年被发现的一对小行星中的一颗。其呢称为Didymoon，因为它的行为犹如一颗卫星：始终围绕与其相距1千多米、直径为750米的小行星Didymos A运行。像这样的多天体系统只占行星的15%，而科学家将它作为目标是为了方便进行操作评估。对偏转的测算理应更快些：若对象是一颗卫星只需要几天或几个星期，而一颗寻常的小行星则需要好几个月的时间。实际上，如果一切如预期般顺利，撞击会令这颗卫星围绕Didymos A的转速减少0.5毫米/秒，这将导致前者绕后者一圉的时间从11.92小时减少到11.83小时。届时，地球和该卫星的距离最近，我们可以从地球观察撞击过程及其效果，通过全球各地的望远镜一起来评估。选择该卫星的最大优势在于该运行体系的轨迹几乎不受影响，所以，这一操作绝对不会弄巧成导致原本与人类相安无事的小行星反过来撞击地球。最主要的风险，也就是探测器错过小行星。
同时间赛跑
貌似一锤定音的桌球初看轻而易举，但事实上它需要一流的技术支持。首先，NASA打算利用DART测试全新一代的离子推进发动机，其功率要比前一代强3倍。此外科学家想方设法节省燃料，利用太阳能板为发动机提供必要的能量，因此，在保证发动机达到预期速度的同时也不增加发射的成本。这一招不可谓不冒险。
这还不是DART任务的主要挑战，它的简称恰与英文的飞镖一词相同：任务是否成功取决于撞击是否精准。然而，在太空里用探测器撞击天体还是一件稀奇的事情。一般来说，探测器会平缓地进入轨道，该计划中的探测器则恰好相反，它会像炮弹一样横空而至，相对速度高达21600千米/小时。2005年7月，科学家已成功用“深度撞击”号探测器撞击了“坦普尔1号”彗星，以分析撞击弹射而出的彗星尘埃的成分。但是当时的目标比Didymoon大40倍，而且几乎没有因此改变轨道。简言之，DART不仅要成功瞄准迄今为止从未尝试过的最小天体，还得命中靶心，因为Didymoon和所有小行星一样会自转。如果撞击器没有精准命中小行星的共同质量中心就有可能进一步干扰其自转，而不是使它偏离轨道。
这颗太空巨石离人类太遥远，颜色太暗淡，我们在望远镜里只能看到一片低像素的模糊星团。而且科学家无法在地球上实时领航。撞击器只能依靠它自身的高精度自动导航系统。不可否认，这就是该任务的主要挑战。撞击器的速度高达21600千米/小时，所以实际操作几乎没有任何退路。要等到撞击前几小时，Didymos B在相机上的成像质量才会超过1个像素。探测器要等到撞击前90分钟，才能尝试将其瞄准线锁定于Didymoon。与其相邻并且体积大得多的Didymos A也为该任务增加了难度，因为探测器还要区分这两个天体。这样一来，它必须在撞击前2分钟调整弹道，这还不算，探测器还必须在撞击前将这些高分辨率的图像发送回地球，为研究人员展示撞击表面的入射角，便于研究人员评估该任务是否取得预期效果。这是真正的挑战，因为分辫率最高的最佳图像会在撞击前的最后几秒钟拍下，所以只剩下极短的时间供探测器发送数据。2022年年底就可知晓DART是否圆满完成使命，人类是否能首次人工撞击一颗小行星并杜绝其亲密接触地球的一切可能。
（责任编辑：曹伟 责任校对：白玉磊）
未雨绸缪
一切就从尝试改道一颗小行星开始。那可不是什么普通的小石头！这颗流星体直径达160米，重约500万吨，以1000千米/小时的速度向地球袭来，足以把像巴黎这样的大都会从地图上抹去。但请放心，它并不会对人类构成威胁：按目前的运行轨迹，它离地球最近时也还有1050万千米。被正式列入NASA官方计划的“双小行星重定向测试计划（DART，意为飞镖）”事实上是一次演练，这个由NASA设计的探测器将于2021年执行任务。
这次全真测试有望在未来拯救全人类。当终结人类的流星体真的冲向地球时，此次试射能让我们提前做好准备。因为此类灾难场景可不是科幻电影，这一天终将到来，必须未雨绸缪，以免大难临头时措手不及，因为不知道能有多少时间来应对。更何况一直以来，小行星撞击地球的威胁被严重低估，而如今计算分析的结果就摆在眼前，让人不得不正视。毫无疑问，威胁的确存在。虽然追踪危险小行星的太空监视系统二十多年前就已启用，但这般大小的天体中只有不到一半受到监控，这更引起科学家的高度重视。此类小行星体积小，颜色暗，很难被发现，所以灾难有可能在毫无预警的情况下出现，置人类于绝境。当然，地球自诞生起就习惯了这样的“奇兵突袭”，想必能一如既往“绝境逢生”。但人类的命运就难说，等待我们的结局也许与恐龙相仿。6500万年前，因为一块直径达1万米的巨型陨石击中现今墨西哥附近的区域，导致恐龙这一物种从地球上彻底消失。但与那些不幸的恐龙不同，人类不会束手待毙，在目前已知的全部自然灾害一一地震、海啸、飓风等之中，这是唯一一个人类有望预测到并规避的！地球望远镜无法覆盖太空的所有区域，尤其是靠近太阳的地方。它们只能观察到直徑大于100米的天体，并只有在晚上才能发挥作用。所以这些望远镜只能发现一半对地球构成潜在威胁的小行星。人类要想真正将命运掌握在自己手里，还需要数年的不懈努力。1969年7月20日下午4时17分42秒，当人类在月球上跨出第一步时，研究人员就已开始设想在火箭上搭载一枚原子弹，用来对付小行星。自那以后，科学家从未停止过畅想，积极寻找应对这一挑战的其他方案。然而相关方案不是太冒险，就是费用高昂，甚至不切实际，于是均被无限期搁置。如今，NASA终于决定启动DART计划，该计划在12年前由欧洲空间局（ESA）率先提出，但因为预算紧张而被束之高阁。
太空甩“飞镖”
首个反小行星武器原型的原理极其简单：向小行星发射一枚火箭，由撞击使小行星改变方向。简言之，NASA将拯救全人类的希望寄托在一局“宇宙桌球”上。该技术被称为动能撞击器，是目前最成熟的方案，适合应对最可能出现的、来自直径不足数百米小行星的那类威胁。
这一致命武器究竟长什么样？第一眼望去，它和科学家平时送往银河系边缘的不起眼探测器没什么两样：铝制外壳外加光学仪器和太阳能板。实际上，这一重达560千克的撞锤无须太多装饰，它依靠的是动能和无与伦比的精准度。撞击器先是需要在一年半的时间内飞越1000万千米并达到6千米/秒的惊人速度（比冲锋枪发射出的子弹还要快10倍），之后便会尝试撞击一颗直径为160米的小行星Didymos B，将自身的一部分能量传递给后者。因为撞击器的质量是其目标的850万分之一，所以该行动犹如蚍蜉撼树：按实际比例来看，就好比用一粒沙子去推动一颗桌球！但根据计算，这手“弹指神通”应该能发挥作用：只要行动足够早，至少在撞击前数年就启动，开始轻微的改向会随着时间积累发挥巨大作用。这也是DART任务所要实现的目标。
为此，天文学家筛选出了最佳目标：Didymos B，它是在1996年被发现的一对小行星中的一颗。其呢称为Didymoon，因为它的行为犹如一颗卫星：始终围绕与其相距1千多米、直径为750米的小行星Didymos A运行。像这样的多天体系统只占行星的15%，而科学家将它作为目标是为了方便进行操作评估。对偏转的测算理应更快些：若对象是一颗卫星只需要几天或几个星期，而一颗寻常的小行星则需要好几个月的时间。实际上，如果一切如预期般顺利，撞击会令这颗卫星围绕Didymos A的转速减少0.5毫米/秒，这将导致前者绕后者一圉的时间从11.92小时减少到11.83小时。届时，地球和该卫星的距离最近，我们可以从地球观察撞击过程及其效果，通过全球各地的望远镜一起来评估。选择该卫星的最大优势在于该运行体系的轨迹几乎不受影响，所以，这一操作绝对不会弄巧成导致原本与人类相安无事的小行星反过来撞击地球。最主要的风险，也就是探测器错过小行星。
同时间赛跑
貌似一锤定音的桌球初看轻而易举，但事实上它需要一流的技术支持。首先，NASA打算利用DART测试全新一代的离子推进发动机，其功率要比前一代强3倍。此外科学家想方设法节省燃料，利用太阳能板为发动机提供必要的能量，因此，在保证发动机达到预期速度的同时也不增加发射的成本。这一招不可谓不冒险。
这还不是DART任务的主要挑战，它的简称恰与英文的飞镖一词相同：任务是否成功取决于撞击是否精准。然而，在太空里用探测器撞击天体还是一件稀奇的事情。一般来说，探测器会平缓地进入轨道，该计划中的探测器则恰好相反，它会像炮弹一样横空而至，相对速度高达21600千米/小时。2005年7月，科学家已成功用“深度撞击”号探测器撞击了“坦普尔1号”彗星，以分析撞击弹射而出的彗星尘埃的成分。但是当时的目标比Didymoon大40倍，而且几乎没有因此改变轨道。简言之，DART不仅要成功瞄准迄今为止从未尝试过的最小天体，还得命中靶心，因为Didymoon和所有小行星一样会自转。如果撞击器没有精准命中小行星的共同质量中心就有可能进一步干扰其自转，而不是使它偏离轨道。
这颗太空巨石离人类太遥远，颜色太暗淡，我们在望远镜里只能看到一片低像素的模糊星团。而且科学家无法在地球上实时领航。撞击器只能依靠它自身的高精度自动导航系统。不可否认，这就是该任务的主要挑战。撞击器的速度高达21600千米/小时，所以实际操作几乎没有任何退路。要等到撞击前几小时，Didymos B在相机上的成像质量才会超过1个像素。探测器要等到撞击前90分钟，才能尝试将其瞄准线锁定于Didymoon。与其相邻并且体积大得多的Didymos A也为该任务增加了难度，因为探测器还要区分这两个天体。这样一来，它必须在撞击前2分钟调整弹道，这还不算，探测器还必须在撞击前将这些高分辨率的图像发送回地球，为研究人员展示撞击表面的入射角，便于研究人员评估该任务是否取得预期效果。这是真正的挑战，因为分辫率最高的最佳图像会在撞击前的最后几秒钟拍下，所以只剩下极短的时间供探测器发送数据。2022年年底就可知晓DART是否圆满完成使命，人类是否能首次人工撞击一颗小行星并杜绝其亲密接触地球的一切可能。
（责任编辑：曹伟 责任校对：白玉磊）