出發，撞小行星，爲恐龍報仇去！| 行星事務所
點擊上方藍字“行星事務所”
關注蒙醬，
瞭解關於行星科學的一切
北京時間2021年11月24日14:21，NASA的雙小行星重定向測試任務（DART）搭乘SpaceX獵鷹9號火箭，從美國加州范登堡空軍基地發射升空，前往探訪兩顆近地小行星。
DART探測器發射升空 | NASA
不過，不同於過去其他近地小行星探測器，例如探訪了小行星“龍宮”的JAXA隼鳥2號和探訪了小行星“貝努”的NASA冥王號，DART探測器有着特殊的使命：它的主要目標不是探索小行星本身，而是試驗如何“趕走”小行星——這將是人類首次行星防禦演習。
DART任務海報 | NASA
地球，籠罩在小行星的威脅之下
我們賴以生存的港灣地球，寧靜祥和，又暗潮洶涌。除了三體人的窺伺（劃掉），還隨時可能面臨小行星和彗星從天而降的襲擊。事實上，地球自誕生以來，就沒少捱過撞。
電影《你的名字。》裡，提阿馬特彗星的碎片在空中解體和下落的場景
尤其是在太陽系暴力火拼的早期，大型撞擊事件非常頻繁。我們再熟悉不過的月球，就可能誕生於大約45億年前的一次劇烈撞擊：一顆火星大小的天體傾斜撞上了尚未完全長成的“雛形”地球，撞擊產生的碎屑重新聚集吸積起來，形成了如今的月球 [1, 2]。幸運的是，這次撞擊還沒有大到足以粉碎地球，僅僅撞碎了地球外層的一部分。
大撞擊假說（Giant Impact Hypothesis）中構建的月球起源圖景 | NASA
不過別擔心，隨着太陽系趨於平靜，大行星們都找到了自己穩定的軌道，毀天滅地的大型撞擊事件也就漸漸絕跡了。或許正是因爲有這樣相對“安寧”的環境，纔有了地球上生命誕生繁衍的條件，纔有瞭如今生機勃勃的地球。
但個頭在10千米級別的小行星依然會襲擊地球，而且足以造成全球性的物種大滅絕。上一次這樣的大撞擊可能發生於約6500萬年前，那時人類還沒有誕生，但恐龍可能深受其害。
據推測，那顆巨大的小行星（也可能是彗星）在墨西哥尤卡坦半島撞出了一個直徑超過200千米的隕石坑，並且劇烈影響了當時整個地球的大氣和生態環境，進而引起了包括大部分恐龍在內的衆多動植物的滅絕——這就是地球上第五次生物大滅絕事件，史稱“白堊紀末大滅絕”。
“來不及許願了，快跑！” ▼
小行星撞擊可能是恐龍滅絕的罪魁禍首 | LPI [3]
只是，這麼大個頭的小行星數目不多，撞上地球的概率也就非常低：直徑10千米級的小行星撞地球平均每1-2億年纔會發生一次；直徑1千米級別的小行星撞擊平均每50萬年纔會發生一次。
個頭越小的小行星，雖然對地球的危害越小，但數目也越多，撞上地球的頻率也就越高，同時，地基望遠鏡觀測到的難度也越大。隨着巡天觀測技術的提升，天文學家們已經監測到越來越多小行星的蹤跡，尤其是那些軌道會和地球接近的“近地小行星”（NEOs）。
截至2018年，已有近2萬顆近地小行星被發現，其中近一半直徑在140米以上。需要注意的是，動圖中小行星的大小沒有按比例，實際的小行星相比於行星的大小几乎難以識別，因此它們在空曠太空中的實際分佈其實很稀疏 | 改編自NASA/JPL [4]
直徑140米以上，軌道與地球軌道相交的近地小行星，與人類的存亡尤爲息息相關：這個尺寸的小行星完全可能毀滅一個城市，引起大量人員傷亡——而這個尺寸的小行星，平均每2萬年光顧地球一次，概率上又無法忽略不計。
直徑20多米的小行星，雖然大多數情況下武力值不算強，但萬一不巧撞上人口密集的大城市，也能造成不小的危害。也就不到十年前的2013年，俄羅斯的車里雅賓斯克（Chelyabinsk）市就發生過這樣的事故：一顆直徑近20米小行星來襲，空爆和衝擊波造成了一定的經濟損失和1400多人受傷，但所幸無人死亡。
小行星空爆和衝擊波震碎的車里雅賓斯克劇院玻璃 | 維基
更危險的是，這樣大小的小行星，平均每100年就會光顧地球一次——如果不巧撞在了大城市…那我們或者我們的子孫，有生之年就可能會遇到。
總之，對地球人來說，這份來自小行星的威脅並不是杞人憂天，而是實實在在可能發生的。
只是千百年來，人類能做的只有被動地希望這樣的事不要發生。
而隨着人類深空探測技術的發展，是時候拿回主動權了。
DART探測器，就是開始。
反擊吧，地球人！
這倒也不是說地球到了生死存亡的時刻，一顆大個頭的小行星馬上就要撞過來了…並沒有並沒有。事實上，目前的小行星觀測數據顯示，至少接下來一百年裡，地球都挺安全的。
但這喘息的間隙，恰恰是人類努力發展科技樹的好時機。
如果將來有一天，預知一顆直徑幾十甚至一百多米的小行星真的快要撞上地球了，人類要如何抵禦這顆小行星，要如何自救？現在，我們還有足夠長的時間，來爲應對這一天積累實力，做好準備。
想要保護地球不被小行星撞傷，最直接的思路有兩種：一是改變小行星的軌道，例如把小行星撞歪、推動、拖走；二是直接摧毀小行星，例如用核彈把小行星炸燬。
DART探測器打算測試的，就是目前的技術水平下最容易實現的一種思路：通過自殺式撞擊，讓小行星發生偏轉。
DART探測器撞擊小行星示意 | NASA/Johns Hopkins APL [5]
正如探測器的縮寫和任務徽章上的“飛鏢”（dart）一般，DART探測器將會以最悲壯的方式結束自己的生命：似利箭，迎頭相撞，一往無前。
DART探測器的任務徽章 | NASA/Johns Hopkins APL [5]
不過技術上來說，撞上小行星的難度不大。畢竟，人類已經有過兩次成功撞擊小行星/彗星的經驗了：
一次是2005年，深度撞擊號探測器（Deep Impact）釋放撞擊器撞了坦普爾1號彗星的彗核；
深度撞擊號撞擊彗星坦普爾1號的過程 | 維基
另一次是2019年，隼鳥2號探測器（Hayabusa2）在小行星龍宮上撞出了一個坑。
隼鳥2號投下撞擊器的過程 | JAXA
難點在於，探測器和小行星的質量差距如此懸殊，“蚍蜉”撞“大樹”，要如何撞才能達到“四兩撥千斤”的效果，真的讓小行星發生“看得見”的軌道變化呢？
被選中的小行星
答案是，選擇一顆合適的小行星來撞。
選一顆離地球近一些、易於抵達的小行星自不必說，更重要的是：小行星個頭不能太大。
不然撞完要是小行星“紋絲不動”就尷尬了。
DART任務選中的，是一顆直徑約160米，名叫Dimorphos的近地小行星。然而，對質量僅550千克（撞擊時）、展開太陽能板全長也不足20米的DART探測器來說，這麼大的小行星依然是個龐然大物。
DART探測器和小行星Dimorphos的大小對比 | 改編自NASA/Johns Hopkins APL [5]
但巧妙的是，這顆即將被撞的小行星不是單槍匹馬，它還環繞着一另顆名叫Didymos，直徑約780米的小行星轉動，兩顆相距1.2千米的小行星組成了一個雙星系統，共同環繞太陽公轉。
2003年11月23、24和26日，阿雷西博天文臺的S波段雷達對主星Didymos進行的14次雷達成像，可以清楚看到主星旁的伴星Dimorphos | NASA
兩顆小行星的命名也來自它們的“雙星”屬性：主星Didymos是希臘語中“孿生”（twin）的意思；伴星（衛星）Dimorphos，則是希臘語中“有兩種形態”（having two forms）的意思。
觀察一顆小行星環繞太陽的微小軌道變化，其實非常困難。雙小行星系統Didymos和Dimorphos是阿莫爾型近地小行星，飛行軌道始終在地球軌道之外，每2.11年才能環繞太陽一圈。
雙小行星系統Didymos和Dimorphos的軌道（白色），離太陽最近時在地球軌道（藍色）之外一點點，最遠時在火星軌道（紅色）之外 | NASA
但觀察一個雙星系統中小行星的軌道微小變化就容易得多——這個系統中伴星的公轉週期很短，僅有約12個小時，在此基礎上發生的微小的軌道變化相對來說就容易發現得多。
據目前的推算，DART探測器以6千米/秒的速度迎頭撞向Dimorphos，可以把這顆小行星環繞主星一圈的週期縮短上好幾分鐘，已經足夠觀測到了。但也不用擔心，撞後的軌道變化也沒有太大，更加幾乎不會影響到主星的運行，兩顆小行星不僅（在接下里至少一百年的時間裡）原本不會撞向地球，撞完之後也不會“反水”來撞地球的。
DART探測器撞擊小行星之後可能帶來的變化 | 改編自NASA/Johns Hopkins APL [5]
等等，這個撞慢了多久，縮短了幾分鐘週期，不是可以準確算出來麼？這題我會啊，小學二年級高中物理嘛！
你以爲的撞小行星 ▼
動量守恆mv = (M+m)△v | 參考文獻 [6]
並不是，因爲小行星既不是質點也不是剛體。簡單來說，在受到超高速撞擊的情況下，小行星自身的密度、強度、孔隙度等物理性質都會大大影響撞擊的結果。換言之，雖然天文學家已經針對多種可能的情況做了計算模擬，但實際撞完會是啥樣還是要靠後續觀測，現在誰也無法預判。
實際的撞小行星 ▼
老複雜了.jpg
那麼新的問題來了：如何知道撞後會是啥樣？
地基望遠鏡：終於輪到我出場了
在實施撞擊的10天前，DART探測器會先分離出一顆立方星LICIACube。
DART探測器分離立方星LICIACube | NASA/Johns Hopkins APL [5]
LICIACube可以用自己的推進系統調整軌道，在撞擊發生的大約3分鐘後飛掠小行星Dimorphos，用自己攜帶的相機大致確認撞擊情況，例如撞擊是否成功開展，撞擊之後是否形成了撞擊坑和濺射物等等。
但小行星更準確的軌道變化，還要靠地基天文望遠鏡來完成。
DART探測器計劃在2022年9月26日到10月1日之間撞上小行星Dimorphos，之所以選擇這個時間，是因爲這個雙小行星系統會在10月份近距離飛掠地球——至少在這個公轉周裡，這是兩顆小行星距地球最近的時候，距離可以近到1100萬公里。下一次最近飛掠，就要到2024年了。
藉助這個天然的近距離觀測機會，地球上的天文望遠鏡有機會更清楚地觀察這兩顆小行星。伴星飛過主星時，會週期性地遮擋住一部分主星的反射光，因此地基天文望遠鏡可以觀測到雙星系統的亮度變化，通過反覆觀測，就可以確認撞擊發生之後伴星Dimorphos環繞主星的週期改變了多少。老讀者們對這種觀測方法肯定再熟悉不過了，發現系外行星的凌星法，本質上和這個如出一轍。
通過小行星互掩/凌產生的光變曲線，觀測小行星的週期 | 改編自NASA/Johns Hopkins APL [7]
屆時，世界各地的多個天文臺都會參與這場觀測盛宴，例如美國的羅威爾天文臺、智利的拉斯坎佈雷斯天文臺、新墨西哥的馬格達萊納山脊天文臺等等。
羅威爾天文臺的羅威爾發現望遠鏡 | 羅威爾天文臺
用地球上的望遠鏡，窮盡極限觀測一顆被人類航天科技改變了軌道的遙遠小行星，想必是個令天文學家們激動不已的時刻。
炮灰？NO，是新技術的試驗場！
嚴格來說，DART探測器僅僅攜帶了一件用於探測的儀器，那就是光學導航相機DRACO，畢竟，它的主要使命是撞擊，撞完就粉身碎骨了。
DART探測器的光學導航相機DRACO位置 | NASA/Johns Hopkins APL [8]
然而，DART探測器不止於此，它還會在殞滅之前“發光發熱”。雖然沒有複雜的科學探測使命，但DART探測器攜帶了多種新儀器，爲諸多新技術開闢了試驗場 [8]。
DART探測器的各種儀器位置 | NASA/Johns Hopkins APL
例如：
1）新型離子推進系統
DART探測器攜帶了兩套推進系統：使用肼燃料的主推進系統用於探測器的軌道機動和姿態控制；使用氙氣的離子發動機，則用於驗證NASA的新型離子推進系統NEXT-C在太空中的使用情況。相比於過去在深空1號、上使用的離子推進系統，NEXT-C系統比衝更高，性能更優越，可以讓將來的深空探測器攜帶更少的燃料飛得更遠。
DART探測器的NEXT-C離子推進系統 | NASA/Johns Hopkins APL [8]
2）卷軸式太陽能板框架
爲了更大限度壓縮發射體積和質量，DART探測器採用了卷軸式的太陽能板框架ROSA，發射後在太空中徐徐打開。相比於傳統的摺疊式太陽能板，ROSA更爲輕便靈活。
卷軸式太陽能板ROSA打開示意 | NASA/Johns Hopkins APL [8]
2017年，該技術已經在國際空間站測試成功。
國際空間站測試中的ROSA太陽能板 | NASA
3）高轉化率的太陽能電池板
DART探測器的太陽能電池板上，有一小部分沒有使用常規的電池板。這些用於技術驗證的新型太陽能電池板，可以比目前使用的常規太陽能電池板多產生三倍的能量，大大提高了太陽能利用效率。如果該技術廣泛投入使用，將來去往木星甚至更遠的外太陽系探測器也有望以更輕小的太陽能電池板產生更充足的太陽能，而不必使用昂貴的核電池供電。
DART探測器的太陽能電池板上的一小塊高轉化率的太陽能電池板示意 | NASA/Johns Hopkins APL [8]
4）智能自主導航
事實上，直到撞擊發生的一個小時前，目標小行星Dimorphos在DART探測器的光學導航相機中還只是1個像素的小點。
撞擊前1個小時裡DART相機鏡頭中能看到的小行星大小變化模擬 | 改編自NASA/Johns Hopkins APL [7]
爲了準確找到小行星、準確撞上小行星，DART探測器使用了一種智能自主導航系統SMART Nav，該系統將在撞擊器前4個小時啓動，持續把探測器拍攝的照片反饋給導航算法，指導探測器自主完成定向、數據傳輸和撞擊。
DART探測器的智能自主導航系統SMART Nav示意 | NASA/Johns Hopkins APL [8]
5）高效通訊的高增益天線
DART探測器沒有使用傳統的“大鍋”作爲高增益天線，而是會嘗試使用一種徑向線縫陣列式天線（RLSA）來收發數據。這種“新穎”的技術成本更低、傳輸效率更高，雖然已經存在了幾十年，但之前並未用於過深空探測器的通訊。
DART探測器的徑向線縫陣列式天線（RLSA）示意 | NASA/Johns Hopkins APL [8]
……
驗證這些新技術，雖然不會爲DART任務本身帶來什麼益處，卻可以造福之後的衆多深空探測器。
赫拉號：前赴後繼
然而，想要深入瞭解DART探測器的撞擊成果，對DART探測器撞擊後的小行星表面和內部進行詳細探測，地基天文望遠鏡是做不到的。畢竟即使是距離地球最近的時候，兩顆小行星在地基望遠鏡裡也只是幾個像素的小亮點而已。
因此，DART探測器之後還需要另一艘探測器，再度前往小行星附近開展新一輪近距離探測——這個繼任者就是歐空局的赫拉號。
赫拉號探測器的藝術想象 | ESA [9]
赫拉號計劃於2024年發射，2026年抵達雙星系統，對主星Didymos和伴星Dimorphos展開全方位的深入探測。屆時，這對小行星將成爲繼絲川、龍宮、貝努之後人類最瞭解的近地小行星，也將成爲首對被人類探測器兩度近距離探測過的小行星。
赫拉號目前的任務規劃，將來可能會有各種調整 | 漢化自ESA [9]
結語
行星防禦，是一個龐大的工程，DART探測器的演習僅僅是其中一小步。
但好在，我們還有足夠的時間，只要不停下腳步。
將來，人類還會努力研發更強大的行星防禦航天器，但DART任務留下的第一手試驗數據，始終有着重要參考價值。
數百年後，如果，如果真的遇到小行星來襲、可能帶來危害的那一天，
希望我們人類已經做好了準備。
插播
蒙醬的新繪本火熱（？）銷售中。繪本詳情介紹：▼
近期微店&淘寶店天文航天周邊上新：
2022年航天台歷▼
（識別不了的話，點開圖之後再長按掃碼，或者淘寶搜店鋪“司天靈臺”也可購買）
拓展閱讀
/文：haibaraemily
/編輯：steed
/首發於公衆號“果殼”
參考資料
[1] Hartmann, W. K., & Davis, D. R. (1975). Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504-515.
[2] 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.
[3] https://www.lpi.usra.edu/science/KTcartoons/
[4] https://www.nasa.gov/feature/jpl/twenty-years-of-planetary-defense
[5] https://dart.jhuapl.edu/Gallery/
[6] Rivkin, A. S., Chabot, N. L., Stickle, A. M., Thomas, C. A., Richardson, D. C., Barnouin, O., ... & Hirabayashi, M. (2021). The Double Asteroid Redirection Test (DART): Planetary Defense Investigations and Requirements. The Planetary Science Journal, 2(5), 173.
[7] https://dart.jhuapl.edu/Press-Kit/index.php
[8] https://dart.jhuapl.edu/Mission/Impactor-Spacecraft.php
[9] https://www.heramission.space/mission
[10] https://dart.jhuapl.edu/
https://dart.jhuapl.edu/Mission/index.php
https://www.nasa.gov/planetarydefense/dart
關於作者
灰原哀博士（haibaraemily），從事行星科學研究，本公衆號“行星事務所”（haibaraemily_planets）主頁君。更多精彩，歡迎關注公衆號~
知乎、果殼：@haibaraemily，B站、微博：行星事務所、haibaraemily（對，有倆號）
你的“在看”和轉發，是最大的支持！