如果小行星即将撞击地球,人类能否用探测器撞击改变其轨道?
2021年11月24日,美国航空航天局(NASA)借助SpaceX的猎鹰9号火箭发射了一个特殊的太空飞船任务,任务名叫 Double Asteroid Redirection Test,简称DART ,翻译过来就是"双小行星重定向测试",NASA宣称这是人类第一颗以行星防御为目的发射的探测器。这项任务的目的,是进行一项撞击测试,简单来讲,就是探测器不远万里,飞到目标小行星附近,然后飞蛾扑火一般撞向这颗小行星,看看这颗小行星的原有轨道是否会发生偏移,过程略显悲壮。不得不说,NASA是真有钱,这一撞3.25亿美元可就没了,抛开费用不谈,行星防御是关乎地球上所有事生命安全的一个重大话题,这钱还真是有必要花的。
DART和其目标小天体,图片来源:NASA
DART的总重量大约600公斤,用于撞击的部分500公斤,自然不可能去撞谷神星这种大号的小行星,所以它的目标天体只能是质量比较小的天体,但又不能太小,因为撞击之后还需要后续的跟踪观测来看看到底给撞飞了没有,太小了的话定轨精度不够,所以最终NASA的科学家把目光瞄准了一颗差不多八百米大小的小行星 (65803) Didymos。当然800米肯定是撞不动的,实际上撞击目标是这个800米小行星的卫星——Dimophors ,你没看错,小行星也跟地球一样,也可以拥有自己的卫星(当然有卫星的小行星数量少之又少)。通常这种带卫星的小行星我们称之为"双小行星",这也是为什么开头说NASA这个任务叫"双小行星重定向测试"了。Dimorphos的大小只有大约170米 ,如果假设一个密度为3g/cm3,那它的质量大约就是 kg,此前有研究估算的质量为 ,质量大约是DART的1000万倍(算到这里,其实我对这一撞到底能不能行是持有怀疑态度的)。
SpaceX的猎鹰九号火箭和DART探测器
按照计划,DART撞击Dimophors时候的速度为6.6km/s,并且造成一个非常微小的速度改变,这个改变的量级为0.4mm/s,但把时间拉长来看,会造成较大的偏移。这也是碰撞改变小行星轨道的一个基本原理,体积达到一百米的小行星,已经不是简简单单能撞碎的问题了,只有在提前好几年发现它,并且通过一定质量的撞击,造成轨道在几年时间里产生累积的偏移量,从一个原本能撞击地球的轨道偏离为不能撞击地球的轨道。
Didymos(右)和它的卫星 Dimophors(左)的形状模型示意图,个头小的是DART的撞击目标
阿雷西博雷达望远镜中的Didymos和Dimophors
介绍一下轨道,主星Didymos的轨道近日点在1.013 AU,远日点2.275 AU,是典型的Apollo型近地小行星(关于什么是Apollo型近地小行星,可具体参考我之前写的关于近地小行星轨道分类的文章,里面有详细介绍),距离地球最近的交汇距离在15.7个地月距离,所以这颗小行星是不会撞击地球的,只作测试用。卫星Dimophors围绕Didymos转,距离大约1.1km,大约12个小时转一圈。有意思的是,DART任务在飞向Didymos的途中,不仅要探测Didymos,还要路过另外两颗小行星,包括2001 CB21、3361 Orpheus,并对它们进行飞越探测。下面这个动图展示了探测过程,绿色曲线代表了Didymos的轨道、黄色线为小行星3361 Orpheus,蓝色线为地球轨道,紫色线为探测器DART的轨迹,最右边浅蓝色的那条是小行星2001CB21的轨道。可以看到DART首先和地球一起围绕太阳公转,随后与Didymos相遇。
由于DART的使命就一个,牺牲自己并且尝试把目标小行星的运动轨迹撞偏了,所以不同于之前所有的探测器,它基本上什么科学载荷都没带,除了一个探测器必备的太阳能电池板,也就剩下用于导航的仪器了。虽然没有丰富的科学载荷,但除了DART本身之外,它还携带了另一个次级小卫星,由意大利航空局研制,名字叫LICIACube, 这颗小卫星的主要作用是和地球之间进行通讯,简单来说就是拍照传回地球,可以用于研究撞击后的尘埃以及碎石块、颗粒的运动状态。
DART的小伙伴LICIACube小卫星
DART任务还有一个后续任务,是欧空局(ESA)立项的Hera计划,该探测器2024年发射,2027年,也就是DART撞击Dimophors后的五年再次到达Dimophors和Didymos,目的是为了详细观测和评估撞击的效果,看它是否发生了足够的偏移。
最后我本想在这里分享一个NASA的关于DART任务整个过程的视频演示,里面展示了从SpaceX猎鹰九号火箭搭载DART升空、星箭分离、太阳能电池板展开、轨道运行、释放小卫星、实施撞击等整个任务过程。奈何总是提示错误,我就在我主页中发布了一个单独的视频,感兴趣的读者可以自行去观看。