NASA 的 DART 任务可能有助于取消小行星撞击地球的末日

编者注 (22 年 9 月 26 日)：在 2021 年 11 月发射后，NASA 的双小行星重定向测试 (DART) 任务计划于 9 月 26 日美国东部时间晚上 7:14 与小行星 Dimorphos 相撞。

当安迪·里夫金还在上大学时，他有一些朋友在医学院。“我就想，老天，我不想做任何责任太大的事情，”他说。相反，他仰望星空。“天文学似乎很安全。” 而且，有一段时间，确实如此。他不必对别人的根管治疗或腹部手术做出决定，而是观看世界在黑暗中飞逝。

但里夫金是巴尔的摩约翰·霍普金斯大学应用物理实验室 (APL) 的行星天文学家，他发现自己承担的责任比预期的要多。他和数百人一起参与了双小行星重定向测试 (DART) 任务，这是一项由 NASA 和 APL 领导的雄心勃勃的计划，旨在将一艘无人航天器撞击小行星以改变其轨道。这是为真正行动进行的演习：总有一天，DART 的技术后代可以用来偏转一颗威胁地球的太空岩石，从而拯救数百万——甚至数十亿——人的生命。

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11 月 23 日，DART 将从加利福尼亚州范登堡太空部队基地搭乘 SpaceX 猎鹰 9 号火箭发射升空。明年秋天的某个时候，它将以每小时 24,000 公里的速度撞击目标。像里夫金这样的地面天文学家将屏息凝神地观看这次交会，希望能看到成功的明显迹象：尘埃云，以及一颗小行星第一次随着人类的节奏跳舞。它会成功吗？

“我们不知道会发生什么，因为我们以前从未尝试过，”新西兰坎特伯雷大学的行星天文学家米歇尔·班尼斯特说。

成功并不意味着地球会自动免受流氓小行星的侵害。尽管我们将保护地球家园的大部分希望寄托在射击太空岩石上，但在行星防御方面没有万全之策。小行星奇异且多变的地质可能阻碍我们的偏转尝试，我们的早期预警望远镜网络充满了巨大的观测漏洞，并且决定谁可以尝试偏转来袭撞击器的政治充满了不确定性。

毫无疑问，DART 代表着向前迈出的重要一步。但是，制定全面的行星防御计划的道路漫长而曲折，我们才刚刚开始走上这条道路。

阻止下一个通古斯事件

尽管德克萨斯州大小的小行星反派在好莱坞大片中占据显着地位，但大型岩石并不是头脑冷静的科学家们非常关注的原因。几乎所有直径一公里或更大，轨道接近地球的小行星都已被发现，并且在未来几个世纪内都不会对我们构成严重威胁。

就像生活中的许多事情一样，当涉及到行星防御时，重要的是小东西。据估计，2013 年 2 月 15 日在俄罗斯车里雅宾斯克市上空爆炸的太空岩石只有 17 米长——然而，其爆炸威力相当于约 470 千吨 TNT，释放出的冲击波震碎了窗户，造成 1200 人受伤。

这次空爆事件是社交媒体时代以来的首次，震惊了全世界。“这令人警醒，”NASA 行星防御协调办公室的近地天体观测项目经理凯利·法斯特说——该办公室并非巧合地在车里雅宾斯克事件发生三年后成立。

情况可能会更糟。1908 年，一颗似乎是 60 米的流星在西伯利亚偏远地区上空爆炸，夷平了超过 2000 平方公里的森林。想象一下，这种情况发生在你居住的城市或城镇上空：建筑物将被夷为平地，碎片将在飓风般的狂风中飞舞，暴露在最初灼热的闪光中的衣服和肉体都可能燃烧起来。这将堪比一次大规模核爆炸，只是没有辐射。

这些小型撞击器数量多得令人不安。模型表明，在那些直径至少 140 米的撞击器中，大约有 25,000 个会接近太阳 1.9 亿公里以内。一些所谓的城市杀手物体可能会以令人不安的距离接近地球轨道。而对于这些微小但具有破坏性的近地天体，“我们认为我们已经找到了不到一半，”里夫金说。

据估计，每个世纪，城市杀手撞击地球的概率为 1%。即使这种情况发生，地球表面大部分是海洋，这表明太空岩石最有可能落在荒无人烟的地方。但是，如果其中一颗击中任何国家，坠入一个国家的海岸线或在头顶爆炸，都可能造成人类历史上最严重的自然灾害之一。任何一年，我们获胜的几率都很大，但等待的时间足够长，我们的运气就会耗尽。亚利桑那大学的天文学家卡茨珀·维耶尔佐斯说，如果没有有效的防御计划，“这不是是否会发生的问题，而是城市杀手何时会让我们全球文明度过非常非常糟糕的一天的问题。”

好莱坞首选的防御解决方案——核弹——可能确实有效，因为高保真模拟表明，足够强大的爆炸要么可以将小行星从地球轨道上击开，要么将其撕成无害的微小碎片。然而，使用核武器来偏转或摧毁小行星被广泛认为是充满繁文缛节的最后手段，是对迫在眉睫的威胁进行的绝望的孤注一掷，天文学家发现这种威胁太晚了，以至于其他更微妙的干预措施不足以奏效。“动能撞击器是我们目前认为的最佳解决方案，”北亚利桑那大学的行星天文学家克里斯蒂娜·托马斯说——换句话说，使用一个快速但惰性的射弹在很多年前就偏转小行星。

科学家们已经无数次模拟了用小行星玩台球。但只有一种方法可以确定我们是否可以将一颗小行星从地球轨道上击开：冒险进入黑暗，找到一颗小行星，并给它狠狠一击。

人类对抗 Dimorphos

DART 是一个汽车大小的盒子，带有两个翼状太阳能电池板，很快将飞向一个双小行星系统。Didymos 直径近 800 米，它的卫星 Dimorphos 绕其运行，Dimorphos 长 160 米。那颗小卫星是 DART 的目标。

大约在一个月后，Didymos 才会勉强在 DART 的相机中注册。里夫金说，在撞击前四个小时，航天器的制导系统——一种与地球上用于导弹制导的技术堂兄弟——“接管方向盘并引导我们前进”。此后不久，Dimorphos 将作为一个模糊但清晰的光点进入视野。里夫金解释说，大约在两分钟后，自动驾驶仪“将手从方向盘上移开，脚从刹车上移开”。

DART 将拍摄并传输其快速接近的最终目的地的快照，直到最后一刻，然后分解成碎片云和过热等离子体，发生一次史诗般的——但完全无声的——碰撞。在太空中，没有人能听到你发出“砰”的声音。

理想情况下，DART 的动量会传递到 Dimorphos，留下一个撞击坑，并将这颗小卫星围绕 Didymos 的近 12 小时轨道至少移动 73 秒。DART 在 10 天前释放的一颗小型的 CubeSat 将近距离观察这次暴力事件，而地面天文学家将从远处密切关注这个双小行星系统，直到它在 2023 年春天从视野中消失。

天文学家筛选了 DART 的几个目标候选者，但最终选择了 Dimorphos，原因有几个。第一个是安全：改变 Dimorphos 的轨道不会改变 Didymos 的轨道，使其与地球相交。第二个是 Dimorphos 有点像一个巨型时钟上的指针，而 Didymos 位于时钟的中心；尽管距离数亿公里，地球上的天文学家也能够轻松地看到撞击后“指针”是否以不同的方式绕时钟滴答作响。仅仅两个月的观测将揭示偏转的有效性。托马斯说，Dimorphos 的大小也属于可以摧毁整个城市的那些小行星的范围，使其处于“行星防御角度的最佳位置”。

从任何标准来看，DART 都是一项奇怪的尝试，它是一支专为熄灭而生的短暂蜡烛。与持续多年的典型行星际任务不同，它将在太空中运行仅 10 个月。没有延期等待着它，因为 DART“有一个非常明确的结局”，APL 的 DART 任务系统工程师埃琳娜·亚当斯说。“在这种情况下，如果你让它继续运行”——换句话说，如果航天器错过了目标——“你就真的搞砸了。”

因此，这里对成功的最精简定义仅仅是击中目标并测量 Dimorphos 轨道的变化。但是，如果 Dimorphos 拒绝配合怎么办？

偏转的诸多魔鬼

在 2005 年独立日，NASA 的深度撞击号航天器向坦普尔 1 号彗星发射了一个射弹，产生了火球和巨大的碎片羽流，使科学家们首次瞥见了彗核的内部。人类对坦普尔 1 号彗星的攻击运行发现，彗核可能非常蓬松，欧洲航天局 (ESA) 的菲莱着陆器在 2014 年登陆另一颗相当蓬松的彗星 67P/丘留莫夫-格拉西缅科进一步证实了这一观点。这种低密度目标给行星防御带来了问题。“你如何推动这样的东西？你如何与海滩上的泡沫战斗？”班尼斯特说。

小行星也隐藏着令人不安的结构惊喜。当 NASA 的 OSIRIS-REx 航天器在 2020 年短暂接触小行星 Bennu 以抓取一些岩石样本时，它几乎沉入目标点，就像表面是由“融化的黄油”组成的一样，Hera 的首席研究员帕特里克·米歇尔说，Hera 是 ESA 领导的后续任务，计划于 2026 年抵达 Didymos，以近距离检查 DART 的后果。班尼斯特说，缺乏足够的引力来挤压其内部的小行星——可能包括那些直径一公里或更小的城市杀手——可能像“成群结队的岩石”。这反常地意味着，在许多方面，小型太空岩石比大型太空岩石更难处理，在大型太空岩石中，引力的巨手压倒了大多数物质特性。因此，当试图偏转城市杀手时，班尼斯特说，也许我们应该思考：“你如何移动一群鱼，而不是：你如何抛掷一座山？”

所有这些都与 DART 相关。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的行星防御研究员梅根·布鲁克·赛尔多次模拟了它注定的撞击。“从表面上看，DART 实验似乎非常简单，”她说。但只有一件事是确定的：没有任何结果是有保证的，因为 Dimorphos 的许多基本属性仍然未知。

任务规划者相当自信，DART 静悄悄的死亡将成功地向 Dimorphos 传递类似台球的撞击，Dimorphos 似乎足够重，可以被引力的力量充分挤压。但如果是一个稍微不那么坚固的物体，动能撞击器可能会直接射穿，就像子弹穿过蛋糕一样，将其炸成小但仍然危险的碎片。对于此类威胁的成功偏转可能需要多次更温和的撞击，而不是一劳永逸的重击。

另一个巨大的未知数是 Dimorphos 的外观。它可能是土豆状、狗骨状、橡皮鸭状、两个保龄球粘在一起，或其他完全不同的形状。一位同事最近送给亚当斯一块甜甜圈形状的冰箱磁铁，暗示了小行星一旦被一些深空机器人使者近距离揭开面纱，就会给科学家们带来多少惊喜。接近球形甚至土豆状的形状对于干净的撞击来说是最佳的，而来自更复杂形态的不均匀质量分布会增加擦边球的几率，这种擦边球可能只会“使小卫星旋转起来，而实际上并没有改变其轨道”，麻省理工学院的系统工程研究员奥利维尔·德维克说。

在 Dimorphos 这个特殊且良性的案例中，所有这些不确定性主要都是学术性的。但是，如果尝试偏转一颗真正的城市杀手，它们可能会被证明是至关重要的。例如，我们可能会成功地偏转一颗潜在的危险小行星，但无意中将其置于一个新的轨道上，从而使其在长期内更有可能撞击地球。在我们星球周围的空间中，存在一些被称为引力关键孔的点，地球对小行星的引力将使这颗迷途的太空岩石走上一条肯定具有破坏性的旅程。“一旦你穿过一个关键孔，撞击地球的概率实际上是 100%，”德维克说。温和地说，这构成了对新生撞击威胁进行先发制人打击的主要障碍。

有备方能无患

新兴的计算确实令人望而生畏：保护我们自己免受最众多和最棘手（因此也是最危险）的太空岩石的侵害，需要的不仅仅是在黑暗中射击，尤其是在每次“射击”都是数百万美元的偏转尝试时。确保成功首先需要侦察威胁，以了解任何给定太空岩石的确切质量和吸收重击的能力。

其中一些工作可以从地球上完成，但正如 Dimorphos 狡猾地证明的那样，微小物体是远程研究的困难目标。最好——尽管更困难——在试图撞击任何敌对小行星之前，先与它近距离接触。事实上，这正是 ESA 最初的计划，但在时间表延误确保其侦察航天器仅在 DART 的戏剧性撞击之后才到达。未来，微型动能撞击器甚至可以与科学侦察任务一起发送，旨在仅仅轻推目标小行星，以估计它们将如何响应更强大的偏转冲击。“在我们将人类的命运寄托于那次黄金射击之前，我们必须去更好地描述它们，”德维克说。

只有在有害小行星在其撞击地球日期之前多年被发现的情况下，此类先导任务才有可能实现。这为天文学家被忽视和资金不足的努力增加了令人毛骨悚然的紧迫性，以寻找我们太阳系中失踪的一半或更多的城市杀手。虽然目前的设施和下一代维拉·C·鲁宾天文台能够胜任这项任务，但考虑到似乎无法阻止的激增卫星巨型星座，它们可能无法维持太久，这些卫星巨型星座的反射阳光的成员在夜空中造成盲点。来自巨型星座的光污染“是一个需要解决的巨大问题，”在马萨诸塞州哈佛-史密森天体物理中心研究小行星动力学的费德里卡·斯波托说。“而且我认为我们没有解决它。”

幸运的是，即将到来的空间望远镜 NASA 的近地天体测量仪将在巨型星座的污染范围之外运行。这个红外天文台将在未来几年发射——有些人可能会说“恰逢其时”——它将观察地球轨道的前后，窥探通常被太阳眩光隐藏的小行星。如果一切顺利，它应该会找到 90% 的直径 140 米及以上的近地天体。“然后我们可以真正确定我们是否面临迫在眉睫的威胁，”米歇尔说。

尽管偏转可能是世界反小行星专家团队的首选方法，但正在研究更细致的防御措施。“我们希望工具箱中有更多工具，”里夫金说。“我们不仅想要锤子，还想要螺丝刀。”

一些有希望的想法出奇的简单。阳光中的光子会给小行星带来少量动量，从而稍微改变它们的轨道。将小行星涂成白色以提高其反射率将产生双倍于全黑小行星所经历的光子推力的净效应。如果有足够的提前通知，一层新鲜的象牙色油漆可以安全地将一颗朝地球飞来的小行星驱逐到阴暗的深渊。另一个想法是将航天器停放在小行星周围，并利用其引力缓慢地将岩石拉出地球轨道。但是，所谓的引力拖拉机航天器的驾驶必须非常精确，并且它仅适用于小型小行星。

取消末日

就目前而言，使用动能撞击器是避免灾难最简单的选择。它也相对便宜。DART 的总预算约为$3.2 亿美元，“甚至不到一个足球场的成本，”米歇尔说。如果 DART 成功偏转 Dimorphos，那么一个可能的近期未来是，许多类似 DART 的任务保持待命状态，每个任务都准备好在几艘现成的商业航天器之一上发射，这是很容易设想的。

但“仅仅展示技术是不够的，”米歇尔说。世界仍然需要建立一个系统，使整个地球尽可能协调一致地应对来袭小行星的威胁。哪个或哪些国家应该参与偏转或摧毁尝试？目前，尽管许多国家都参与了近地天体的搜索，并参与了 DART 和 Hera，但美国在小行星偏转技术方面处于领先地位。

哪些国家应该协助任何可能的撞击区疏散？世界应该在何时以及如何决定，尝试偏转或摧毁小行星比仅仅让它撞击，然后协助受影响国家重建工作更冒险？联合国和平利用外层空间事务厅的工作组以及每两年一次的桌面演习（模拟潜在的小行星撞击）正在认真但迄今为止收效甚微地努力回答这类重大问题。

人类距离拥有全面的小行星保护网络还有一段距离。但是，DART 的发射是行星防御演变过程中的另一个关键里程碑，行星防御曾经被认为是深奥的，甚至有点愚蠢的。“当我在 1990 年代读研究生时，只有少数人对此感兴趣，而其他所有人都将其视为一种古怪的领域，”里夫金说。

但天体生物学也是如此——现在太空科学正沉迷于行星际甚至星际寻找外星生命。里夫金说，由于车里雅宾斯克事件和其他与撞击器的戏剧性近距离接触，“行星防御本身也经历了真正的巨变”。而且，对于地球数十亿年历史中的第一次，它的一些居民可能很快就不再对阴险的宇宙威胁无能为力了。

班尼斯特说：“这是我们可以实际量化并可能消除的一种自然灾害。”“这是一个我们可以为之努力的惊人目标。我们无法对地震做到这一点。我们永远无法对火山做到这一点。”

在任何人的有生之年，因小行星死亡的可能性都非常低。然而，科学家和工程师想要彻底消除这种威胁，仅仅是因为他们可以做到。“如果这能让那些焦虑的人在试图睡觉时少担心一件事，我认为这是值得的，”里夫金说。“这减少了一份存在的恐惧。”