李明濤

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光明圖片/視覺中國

“雙小行星重定向測試”任務(wù)概念圖。資料圖片

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小行星撞地球是小概率事件，但它給地球生物帶來的影響卻可能是毀滅性的——據(jù)猜測，恐龍的滅絕很可能就是由小行星撞地球而引發(fā)。此前，人們已經(jīng)能夠測算出小行星的軌道，可以通過望遠(yuǎn)鏡努力找出那些可能給地球帶來威脅的“危險(xiǎn)分子”。現(xiàn)在，人類保衛(wèi)地球的能力再進(jìn)一步：北京時(shí)間2022年9月27日，美國“雙小行星重定向測試（DART）”任務(wù)在距離地球約1100萬公里處，以約6.3千米/秒的速度成功擊中“狄迪莫斯（Didymos）”雙小行星系統(tǒng)中的子星“狄莫弗斯（Dimorphos）”，這標(biāo)志著人類第一次行星防御任務(wù)完成了最關(guān)鍵、難度最高的撞擊動作。

小行星撞擊，來自太空的威脅

近地小行星是指軌道近日點(diǎn)距離在1.3Au（天文單位，等效日地平均距離，約1.496億千米）之內(nèi)的小行星。近地小行星在環(huán)繞太陽運(yùn)行的過程中，受到木星等大行星引力牽引，存在撞擊地球的風(fēng)險(xiǎn)。近地小行星撞擊是人類社會面臨的共同威脅和長期挑戰(zhàn)，一旦千米級尺寸的近地小行星撞擊地球，不僅會帶來巨大的撞擊災(zāi)難，甚至還會引發(fā)氣候環(huán)境災(zāi)變和物種滅絕等嚴(yán)重后果。

根據(jù)科學(xué)家考證，地球歷史上發(fā)生了22次不同規(guī)模的物種滅絕，至少10次與小行星撞擊地球相關(guān)。有科學(xué)家認(rèn)為6500萬年前，一顆直徑10千米的近地小行星撞擊北美墨西哥灣地區(qū)。巨大的撞擊能量，在海底形成一個(gè)直徑約180千米的隕石坑，大量海底物質(zhì)被拋射到空中。熾熱的撞擊濺射物引發(fā)了全球森林大火，燃燒的灰燼和濺射塵埃云進(jìn)入了平流層，遮擋了大部分太陽光，全球溫度驟降，植物光合作用受到影響，引發(fā)了地球氣候環(huán)境災(zāi)變，最終導(dǎo)致了包括恐龍?jiān)趦?nèi)，全球70%的物種滅絕。

這次撞擊導(dǎo)致統(tǒng)治地球長達(dá)1.6億年的恐龍退出地球舞臺，是地球歷史上白堊紀(jì)結(jié)束和新生代開始的分水嶺。也正是這次撞擊事件后，體型更小、消耗資源更少的哺乳動物逐漸適應(yīng)了惡劣的環(huán)境，逐步走向地球舞臺中央，發(fā)展出今天高度發(fā)達(dá)的人類文明。

即使小尺寸近地小行星撞擊地球也可能引發(fā)顯著危害—2013年，一顆小行星“襲擊”了俄羅斯車?yán)镅刨e斯克地區(qū)，“肇事”小行星的直徑僅約18米，但仍然導(dǎo)致了接近1500人受傷、3000棟房屋受損。像這樣的近地小行星，在太陽系中有數(shù)百萬顆，超過99%我們尚未發(fā)現(xiàn)。

由此可見，開展行星防御是保衛(wèi)人類自身、續(xù)存人類文明、保衛(wèi)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的必然要求，也是外太空人類命運(yùn)共同體的重要體現(xiàn)。

開啟行星防御時(shí)代

如何化解小行星撞地球的危險(xiǎn)？這是全球天文學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)?！半p小行星重定向測試”任務(wù)無疑是近年來最具挑戰(zhàn)性，也最成功的嘗試。這一任務(wù)由美國行星防御協(xié)調(diào)辦公室（PDOC）立項(xiàng)支持，約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理（APL）實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)研制，總投資約3.9億美元，其撞擊器發(fā)射重量約為610公斤，于北京時(shí)間2021年12月24日搭乘獵鷹9號運(yùn)載火箭發(fā)射。

它的目標(biāo)是通過在深空環(huán)境中實(shí)施動能撞擊小行星試驗(yàn)，測試動能撞擊防御小行星的技術(shù)，并通過評估撞擊后小行星軌道偏轉(zhuǎn)效果掌握小行星的軌道偏轉(zhuǎn)規(guī)律，從而為未來應(yīng)對近地小行星撞擊風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。這是人類第一個(gè)行星防御驗(yàn)證任務(wù)，標(biāo)志著人類開啟行星防御時(shí)代，象征意義重大。

難點(diǎn)有很多。“雙小行星重定向測試”任務(wù)設(shè)計(jì)最大的挑戰(zhàn)之一就是如何準(zhǔn)確評估撞擊后小行星的軌道偏轉(zhuǎn)效果。要知道，小行星主要由巖石和金屬等材料構(gòu)成，一般直徑百米級的近地小行星的重量可達(dá)百萬噸甚至千萬噸，而人造撞擊器的重量僅有數(shù)百公斤至數(shù)千公斤，兩者重量相差6~7個(gè)數(shù)量級，盡管撞擊速度接近10千米每秒，但撞擊后對小行星的軌道速度改變量可能甚至不足1毫米/秒（mm/s）——以人類現(xiàn)有天文觀測能力，還難以在千萬公里之外的超遠(yuǎn)距離，分辨出毫米/秒量級的軌道速度改變量。因此如何準(zhǔn)確評估撞擊后近地小行星的軌道偏轉(zhuǎn)效果進(jìn)而認(rèn)識小行星的軌道偏轉(zhuǎn)規(guī)律，是動能撞擊試驗(yàn)的關(guān)鍵難題。

“雙小行星重定向測試”任務(wù)通過選擇試驗(yàn)對象為“狄迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)巧妙地解決了撞擊偏轉(zhuǎn)效果評估難題。雙小行星系統(tǒng)是太陽系中廣泛存在的一種小行星構(gòu)型，在直徑超過300米的小行星中大約15%是雙小行星構(gòu)型或者多小行星構(gòu)型。在雙小行星系統(tǒng)中，子星在主星引力作用下，運(yùn)行在環(huán)繞主星的軌道上。毫米/秒量級的撞擊速度改變量雖然不能顯著改變小行星環(huán)繞太陽運(yùn)行的軌道，但足以改變子星相對主星的繞轉(zhuǎn)軌道，并導(dǎo)致子星相對主星的繞轉(zhuǎn)周期改變。而子星相對主星的周期性運(yùn)動會改變其反射的太陽光通量，利用望遠(yuǎn)鏡對雙小行星系統(tǒng)開展持續(xù)觀測，就可以測量雙小行星系統(tǒng)亮度的周期性變化，進(jìn)而精確評估出撞擊后雙小行星系統(tǒng)的周期變化量。

“狄迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)中包括兩顆小行星，主星“狄迪莫斯”直徑約780米，子星“狄莫弗斯”直徑約160米，兩者距離約1.2千米，共同運(yùn)行在環(huán)繞太陽運(yùn)行的軌道上。子星“狄莫弗斯”像一臺鐘表一樣，約每11.9小時(shí)環(huán)繞直徑約780米的主星運(yùn)行一圈?！半p小行星重定向測試”任務(wù)通過“迎頭撞擊”改變子星相對主星的繞轉(zhuǎn)軌道，預(yù)期使其繞轉(zhuǎn)周期縮短約10分鐘。

為了評估撞擊效果，詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、“露西”小行星探測器和“金石”雷達(dá)、ATLAS、甚大望遠(yuǎn)鏡等太空和地面望遠(yuǎn)鏡在撞擊前后進(jìn)行了持續(xù)觀測監(jiān)測，并進(jìn)行全球直播。

望遠(yuǎn)鏡獲取的大量寶貴的視頻和圖像資料表明，“雙小行星重定向測試”任務(wù)撞擊器成功擊中了目標(biāo)，撞擊試驗(yàn)產(chǎn)生了大量高速濺射物，雙小行星系統(tǒng)的亮度瞬間增加10倍以上，在撞擊后小行星形成了一條類似彗星“彗尾”的長達(dá)上萬千米的濺射物“尾巴”，表明撞擊試驗(yàn)取得了高度成功，產(chǎn)生了較好的試驗(yàn)效果。持續(xù)跟蹤監(jiān)測表明，撞擊試驗(yàn)后，雙小行星系統(tǒng)的繞轉(zhuǎn)軌道周期從11小時(shí)55分縮短至11小時(shí)23分，顯著超出了預(yù)期目標(biāo)。

除了開展行星防御試驗(yàn)，“雙小行星重定向測試”任務(wù)還有其他收獲——突破了超遠(yuǎn)程高速撞擊制導(dǎo)控制、非合作目標(biāo)高精度自主導(dǎo)航、暗弱小天體探測識別等關(guān)鍵技術(shù)，開展了先進(jìn)離子推進(jìn)、卷軸式太陽能帆板等大量新技術(shù)試驗(yàn)，具有極強(qiáng)的技術(shù)牽引性和帶動性，將推動深空探測、空間操作等領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

例如，“雙小行星重定向測試”任務(wù)首次開展了新一代離子推進(jìn)系統(tǒng)在軌試驗(yàn)。離子推進(jìn)系統(tǒng)具有極高的效率，相比傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)高出一個(gè)數(shù)量級，被認(rèn)為是深空探測領(lǐng)域最有前途的推進(jìn)方式之一。再比如，“雙小行星重定向測試”任務(wù)還首次在深空環(huán)境中開展了柔性卷軸式太陽能帆板試驗(yàn)，可為電推進(jìn)系統(tǒng)提供充足的能源。這項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證的成功將提升小衛(wèi)星的能源供應(yīng)能力，極大地提升小衛(wèi)星探索深空的能力。此外，“雙小行星重定向測試”任務(wù)還驗(yàn)證了聚光太陽能電池陣列，比傳統(tǒng)太陽能電池陣列效率提升3倍，未來或可使得木星等外太陽系行星探測不再需要核電源供電，從而降低任務(wù)成本等。

撞擊成功，人類并非可以高枕無憂

“雙小行星重定向測試”任務(wù)成功實(shí)施動能撞擊小行星試驗(yàn)，開啟了人類行星防御征程的第一步，但距離人類能夠成功防御小行星尚有很大差距。

首先，“雙小行星重定向測試”任務(wù)是人類精心設(shè)計(jì)的一次針對已知目標(biāo)的試驗(yàn)。“狄迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)此前已經(jīng)開展了多年觀測，其軌道、大小、自轉(zhuǎn)等數(shù)據(jù),人類已經(jīng)基本掌握。而行星防御真正的場景很可能是面對“突襲”——一顆新發(fā)現(xiàn)的、即將撞擊地球的小行星。在這種場景下，小行星的軌道等特性可能并不完全確知，能否防御成功仍然需要打個(gè)問號。

其次，“雙小行星重定向測試”任務(wù)撞擊對象“狄莫弗斯”直徑僅為160米，其主星直徑為780米，目標(biāo)比較大，那么，對于更小尺寸的小行星能否撞擊成功尚需要驗(yàn)證。要知道，小行星尺寸越小，其亮度越暗弱，撞擊難度也越高。但在短時(shí)間內(nèi)，對地球威脅更大的是大量直徑20米~50米級近地小行星，其撞擊地球頻率更高，能否成功撞擊還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

再次，“雙小行星重定向測試”任務(wù)并沒有直接改變小行星相對地球的位置關(guān)系，而實(shí)際行星防御場景需要偏轉(zhuǎn)小行星相對地球的軌道，讓小行星距離地球更遠(yuǎn)?！半p小行星重定向測試”采用的偏轉(zhuǎn)子星相對主星繞轉(zhuǎn)軌道的間接方式，效果與真實(shí)防御場景仍然有較大差別。

最后，以人類目前科技水平，在10年以及更短的預(yù)警時(shí)間內(nèi)，動能撞擊技術(shù)僅能有效偏轉(zhuǎn)直徑幾十米級近地小行星的軌道，對直徑百米級近地小行星，動能撞擊技術(shù)仍然難以有效偏轉(zhuǎn)其軌道。

保衛(wèi)地球，仍然任重道遠(yuǎn)。人類仍然需要創(chuàng)新發(fā)展新型防御手段，對持續(xù)牽引等防御手段進(jìn)行綜合驗(yàn)證。

在保衛(wèi)地球的征程中，中國將作出更多貢獻(xiàn)。2021年，中國國家航天局局長張克儉在中國航天日上表示：“站在新的歷史起點(diǎn)，中國航天將論證實(shí)施探月工程四期、行星探測工程、建設(shè)國際月球科研站和近地小行星防御系統(tǒng)，拉開新時(shí)代探索九天的新序章?！?022年，中國國家航天局副局長吳艷華介紹，中國將著手構(gòu)建近地小行星防御系統(tǒng)，并計(jì)劃在2025年或者2026年實(shí)施一次動能撞擊防御小行星實(shí)驗(yàn)。這意味著中國近地小行星防御系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)操階段。

相信未來，中國一定可以在行星防御領(lǐng)域有所作為，為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體、保衛(wèi)地球生命安全貢獻(xiàn)中國智慧、中國方案和中國力量。

（作者：李明濤，系中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員）

關(guān)鍵詞： 雙小行星 近地小行星 行星防御