NASA航天器撞擊小行星，一場昂貴的作秀？
本文來自微信公衆號：觀網財經（ID：tiequanhe），作者：李澤西、連政，原文標題：《人類首次行星防禦演習，成功了》，題圖來自：《不要擡頭》
探月發射計劃連續“鴿”了多次的美國航天局NASA，終於有些好消息了：它實現了人類歷史上首次改變小行星軌跡的嘗試。
北京時間27日早上7:14，NASA和約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室聯合開展的“雙小行星改道測試”（DART）航天器離地球1140萬公里處成功撞擊“65803 雙生星”的衛星“雙衛一”。這是NASA旗下“行星防禦協調辦公室”自2016年創立以來的首次“防禦”項目。
撞擊前最後幾秒鐘航天器傳回來的圖像（圖源：NASA）
該航天器主體高1.2米，長寬均爲1.3米，重量僅570公斤。用它撞擊重數百萬噸的“雙衛一”，似乎完美的詮釋了“以卵擊石”。航天器的撞擊速度達每秒6.6公里，能夠降低“雙衛一”時速約1.5米。
藍標從左到右：“DART”航天器，“雙衛一”，“雙生星”尺寸對比，“DART”太陽能電池板展開後長度可達19米，但是主體遠遠沒有這麼大（圖源：NASA）
“雙小行星改道測試”還包括子探測器“LICIACube”，在9月12日早上7:14從主航天器剝離，於27日早上7:17飛經“雙衛一”。該探測器是意大利首次獨自運行的深空探索衛星，旨在配合撞擊任務，收集撞擊後的探測數據，並在未來幾天內逐漸將所獲數據傳輸回地球。
除了意大利獨自的參與，歐洲航天局還計劃於2024年發射“Hera”探測器，2027年抵達“雙生星”所在區域，以開展更加深入的科學探測，包括撞擊給“雙衛一”所帶來的動量和撞擊隕坑的形態，以全面評估此次撞擊的“效率”，從而提高人類對於如何最有效地改變小行星軌跡的實踐經驗。
如果“雙衛一”是一顆堅固的實心小行星，那麼航天器只能在其表面砸出一個小坑，“雙生星”與“雙衛一”之間的距離會有所縮短；但如果“雙衛一”是由大量碎巖組成的，撞擊會把大量岩石送入太空，如同“發動機”一般的推力，將讓兩顆小行星的距離顯著縮短。
NASA撞擊“雙衛一”示意圖
人類首次有意識地改變小行星軌跡
美國和歐洲航天局在2015年開展“改變小行星軌跡”的“艾達任務”合作，原本計劃歐洲於2021年線進行“小行星撞擊任務（AIM）”來詳細探測小行星特性，爲“雙小行星改道測試”探路。然而，歐洲航天局由於德國選擇專注探索火星，拒絕提供足夠經費而放棄了自己的計劃，改爲附屬美國航天局的計劃。
“雙小行星改道測試”航天器於2021年11月24日發射，利用馬斯克旗下“SpaceX”的“獵鷹9號”飛船昇天。本來，航天器配有進化氙氣推進器“NEXT”，利用太陽能提供的能量加速氙粒子到每秒40公里作爲推力，不過因爲“獵鷹9號”較高的效率，“NEXT”推進器幾乎沒有真正用上。
航天器上配備了“SMART Nav”自主“導航”系統，可自動識別和區分“雙生星”和“雙衛一”，據此與其他數據調整航天器的軌跡。
在9月初，航天器最後確認了“雙衛一”的軌跡，同時確定其軌跡未受除了引力以外的其他外力的顯著影響，這樣可以肯定其軌跡變化完全源自撞擊。在航天器撞擊“雙衛一”的瞬間，它距離地球1140萬公里，光需38秒跨越該距離。
“雙小行星改道測試”航天器（粉）從地球（深藍）駛向“雙生星”（綠）的途徑（圖源：Phoenix7777）
負責這次撞擊的“行星防禦協調辦公室”，專門檢測和追蹤近地小行星，鑑別飛向地球的大型物體，並提出轉移方案。儘管這是該署首次“防禦地球”的任務，且“雙生星”被認爲是對地球構成潛在危險的天體，不過NASA稱地球未來幾百年內不受到“雙生星”或“雙衛一”的威脅，這次項目純粹爲了科學和測試意義。NASA和歐洲航天局均稱撞擊力度只會改變“雙衛一”的軌跡不到1%，不足以使得這兩個天體轉而“瞄準”地球。
根據NASA提供的定義，“潛在威脅天體”需直徑大於140米，據地球最近距離爲750萬公里以內，即地月距離的19.5倍。“雙生星”系統於2003年據地球718萬公里，根據撞擊前的數據，預計將於2123年據地球590萬公里；“雙生星”直徑爲780米左右，而“雙衛一”直徑爲160米左右。
“雙生星”發現於1996年，於2003年被美國阿雷西博天文臺證實有自己的衛星，因此被命名爲“雙生星”（Didymos）。
“雙生星”直徑與羅馬鬥獸場差不多（圖源：NASA）
“雙衛一”在2020年正式獲國際天文學聯合會（IAU）起名爲“Dimorphos”，在希臘語中意爲“有兩種形態”；根據國際天文學聯合會，這凸顯“‘雙衛一’將是首個受人爲干涉（撞擊）而改變運行形態的天體”。提出名稱的希臘星球科學家克萊奧門尼斯·欽加尼斯（Kleomenis Tsiganis）曾表示，“雙衛一”由“雙小行星改道測試”航天器看到時將是一個形態，2027年“Hera”探測器所觀測到的將是另一個形態。
在27日之前，“雙衛一”與“雙生星”中心相距約1190米，此前以近乎正圓（離心率小於0.05）的軌道運行，軌道週期爲11小時55分鐘。NASA逆着“雙衛一”的運行軌道撞擊它，降低其時速約1.5米，從而使其按照更小的橢圓軌道運行，同時降低其軌道週期10分鐘（成爲11小時45分鐘）。這是因爲NASA認爲，如果從相反方向撞擊，將其軌道週期延長至12小時左右，或與地球的晝夜循環高度重合，恐增添測量難度。
“雙衛一”每次經過“雙生星”前方時都會遮擋光線；通過測量亮度變化的頻率，科學家可在未來數十小時內得出其新的軌道週期，從而判斷測試成果。
如何避免恐龍滅絕的命運？
小行星能夠帶來生命，也能毀滅生靈。目前關於月球形成最普遍接受的看法是“大碰撞說”，即剛形成的地球與一個火星大小的天體碰撞，形成了月球。科學家認爲，月球穩定了地球的自轉，免其不時大規模改變自轉而造成頻繁的大滅絕，月球帶來的潮汐加快了物種“登陸”的速度，月球甚至可能是地殼運動的一大推力。此後撞擊地球的小行星隨身攜帶着地球表層現有的水；在地球形成期間，其高溫不允許大量水分滯留。可以說沒有小行星撞擊，或許就沒有人類。
然而，人們最熟悉的一次小行星撞擊事件。恐怕是6600萬年前促使恐龍滅絕的希克蘇魯伯隕石，它直徑約爲10公里，重約1億億噸。這促使了所有非鳥類恐龍以及全球75%動植物種滅絕。在當代最著名的隕石撞擊事件是2013年車里雅賓斯克隕石撞擊事件，一個直徑約20米，重約1萬噸的隕石在俄羅斯上空爆炸，致數千人受傷。
相較這兩顆小行星，“雙生星”和“雙衛一”不大不小，直徑在100米和1公里之間。“雙生星”重約5.4億噸，而“雙衛一”重約480萬噸。相比而言，570公斤重的“雙小行星改道測試”航天器，連小行星的零頭都算不上，能顯著改變“雙衛一”的軌跡已實屬不易。
2021年底播出的諷刺電影《不要擡頭》講述的就是小行星即將撞擊地球之際，地球上的美國政府一開始忽略威脅，後因小行星含有珍貴金屬而放棄改變其軌跡的計劃，企圖使用核彈打碎小行星以開採，失敗後引來人類末日。該片意在諷刺多國政府和媒體等組織就氣候變化威脅的不作爲，不過也引發了人們對於來自小行星威脅的擔憂。
《不要擡頭》劇照
在現實生活中，有研究認爲用核彈打碎或打偏飛向地球的小行星確實是個可行的方案，且成功率和效率其實都很高，“最後一刻”反應過來都可能來得及。但也有研究強調其不確定性，難以預測碎片飛行軌跡，可能危機人類通訊所需的人造衛星，且有使用核武器本身的風險。地球上多國政府和組織也都在追蹤近地天體的軌跡，並進行儘可能遠期的途徑預測，避免臨時發現撞地小行星。
今年4月，美國國家科學院、工程院和醫學院發佈了行星科學“十年規劃”，將“行星防禦任務”列爲美國未來十年的重點項目之一。
“雙小行星改道測試”協調負責人南希·查博特（Nancy Chabot）警告說，如果要讓這種“動能撞擊器技術”發揮作用，太空機構必須儘早發現有威脅的小行星，以便於航天機構執行任務，“這不是你能拖到最後一刻才做的事，你需要提前多年採取行動。”
根據2021年的一次模擬，NASA的科學家認爲，如果要避免小行星直擊地球，需提前5到10年就進行準備。這是因爲據撞擊預計時間較久的話，較小的軌跡改動也隨着時間和距離而產生較大的位置改動，從而能夠輕鬆化解潛在威脅。
據長征三號甲系列火箭總設計師兼總指揮龍樂豪7月介紹，中國或將於2026年獨立開展小行星軌跡改變的“近地小行星‘2020 PN1’防禦系統”任務。
龍樂豪介紹“近地小行星‘2020 PN1’防禦系統”任務
一場昂貴的作秀？
對於此次發射，行業專家的看法褒貶不一。項目負責人查博特認爲，這次測試非常重要，以確保等到需要的時候人類可以改變撞地小行星軌跡。
佛羅里達理工學院航空航天、物理學和空間科學副教授馬庫斯·威爾德（Markus Wilde）向Mashable博客表示，人類當前對於小行星可謂毫無防備，這次測試有助於增強人類防範能力。
貝爾法斯特女王大學天體物理學家艾倫·菲茨西蒙斯（Alan Fitzsimmons）認爲，“雙小行星改道測試”目的在於測試我們從未嘗試的小行星軌跡改變技術，如果地球面臨小行星撞擊的可能，需採用類似的技術。
不過，也有專家質疑該項目具體實現的目的。航天愛好者，英文電子雜誌“Go Taikonauts”創辦人陳藍向觀察者網表示，航天器質量太小，難以對真正有威脅的小行星造成影響，從科學角度來看，“撞一下拿些數據未嘗不可”，結果“靠理論計算也基本靠譜”，但是專門爲此立項合理性不足。
該項目共耗費NASA超過3億美元。2005年的“深度撞擊號”就曾撞擊“坦普爾1號” 彗星，那次的目標是探測彗星的結構與物質構成，並未刻意嘗試改變其軌跡。不過，“深度撞擊號”撞擊產生的能量接近引爆5噸TNT炸藥，而撞擊速度相對較慢的“雙小行星改道測試”航天器撞擊產生的能量僅約爲引爆3噸TNT炸藥。當然，由於“雙衛一”不停圍繞同一小行星，其軌道變化更易於觀測，因此也無需大力撞擊。
“深度撞擊號”撞擊“坦普爾1號”彗星瞬間
北京理工大學空間政策與法律研究院院長王國語認爲，雖然驗證行星防禦能力對於保障人類免受小行星撞擊風險有重要意義，但相關技術能力也具有潛在的軍事用途；爲避免誤解誤判，行星防禦能力驗證也應考慮相關信息的公開透明，並應鼓勵以國際合作的形式來開展。
陳藍認爲，抓取大石頭撞擊小行星意義更大；這就是中國科學院國家空間科學中心研究員李明濤、周炳紅等人提出的“以石擊石”設想。但是用航天器撞擊，以期待採取這種方式面對有朝一日的撞地小行星不太可行。他表示，這個實驗非技術意義更大，“像NASA爲國會進行的一場表演，爲了獲取更多的撥款”。
本文來自微信公衆號：觀網財經（ID：tiequanhe），作者：李澤西、連政
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