人类“星球大战”的第一步，是拿卫星“撞”小行星
本文来自微信公众号：极客公园 （ID：geekpark），作者：凌梓郡，题图来自：《星球大战》
二十一世纪的某一天，两位天文学家发现，一颗喜马拉雅大小的彗星即将在 6 个月后撞击地球，带来的能量相当于十亿颗原子弹，不采取行动，地球将毁灭。
他们先后把这一消息告诉 NASA、美国总统、再通过电视新闻告诉大众。
可惜，没有人重视。
总统关注自己的选举、大众把这个消息当作一次有趣的头条。于是“不抬头看天”的地球迎来了毁灭。
这个去年底上线 Netflix 的讽刺喜剧《不要抬头》（Don't Look Up），虽然故事纯属虚构，但一个细节倒是符合现实——两位天文学家被 NASA 局长移交给“行星防御”办公室的主管，由主管领着连夜见总统。
在现实中，NASA 确实设立了一个类似部门，名字差不多：“行星防御协调办公室”（Planetary Defense Coordination Office）。这个办公室的主要任务，就是睁大眼睛寻找有潜在威胁的近地天体，发出警告，并设计预防方案。所以，如果真的有电影里喜马拉雅山那么大的彗星威胁地球，应该是这个部门先发现，轮不到两个普通的天文学家。
就在今天，2022 年 9 月 27 日，这个办公室刚刚执行了人类历史上第一次，小行星防御演习——用一颗人造卫星撞击小行星来改变其轨道。
这次撞击任务，是双小行星改道测试（Double Asteroid Redirection Test）行动的一部分。被派往太空执行任务的卫星就叫做 DART。Dart，在英文中也是飞镖的意思。它也可能是至今最昂贵的一枚“飞镖”。
DART 路线图和双星系统示意图｜来源：NASA
漫长奔赴，迎面相撞
美国当地时间 9 月 26 日晚上 7 点多，“最后一击”前的 2 分钟，马达熄灭。在此之前，它以每秒约 6.6 千米的速度奔赴目标。
此时 DART 卫星已经锁定了小行星 Dimorphos，越来越近，只差最后一击。这次撞击之前，它已经飞行了 10 个月之久。2021 年 11 月，这颗卫星被一枚猎鹰 9 号送入太空。
DART 卫星这次飞行的目标，是距离地球之外 1100?万公里的双星系统 Didymos（希腊语的双胞胎）。
这个双星系统里有一大一小两颗小行星，大的直径 780 米，小的直径 160 米。这颗弟弟小行星是另一颗哥哥小行星的卫星，它绕着双星系统中较大的那颗，每转一圈所用的时间是 11 小时 55 分钟。这颗名字为 Dimorphos 的小行星，是 DART 卫星奔赴的最终目标。
在执行撞击任务的 26 日下午 3 点，卫星接收到最后一次来自地球的航向修正信息后，DART 就进入了自动导航模式——自主导航也是在这次任务测试的技术之一。科研团队为卫星配置了一个光学导航系统。在撞击前一个小时，这个导航系统引导卫星 DART 锁定双星系统中的弟弟。
在最后的几分钟里，卫星上的照相机向地球传回的照片，记录下卫星视角的“奔赴”：
撞击前 2.5 分钟，这也是最后一次双星系统出现在视角里。距离目标 570 公里。
撞击前 11 秒，距离目标 68 公里。
撞击前传来的最后一张图片，距离目标 12 公里。
在撞击前大约 1 秒，距离目标 1 公里，卫星顽强传回来最后一张照片。
在图像传回地球的途中，卫星“亲吻”了目标，所以只传回了一小部分信息。
晚上 7 点 14 分，在美国马里兰州的任务控制中心宣布，撞击任务成功。
之所以选择这个双星系统作为实验对象，是因为它距离地球的距离适中，方便飞行器抵达，也方便各种天文望远镜观测，同时也足够安全，不至于对地球产生任何影响。
而选择双星系统中较小的弟弟，不完全是因为“柿子先找软的捏”，也是因为撞击之后，通过观测它围绕哥哥运行的轨道变化，能够推算出这次撞击带来的影响。
另外一个原因，直径在 140 米以上的小行星，就有可能对地球造成潜在威胁。这颗弟弟行星直径 160 米，达到了造成潜在威胁的“体积下限”，因此也适合作为改换轨道试验的候选人。换句话说，这个双星系统简直是小行星改道的理想试验场。
从体积上而言，DART 卫星直径只有 19 米，不到撞击目标的八分之一。而科学家测算，这次撞击将使得 Dimorphos 的运行轨道改变 7 分钟。
工作人员将 DART 从集装箱中取出｜来源：NASA
“行星撞地球”的概率问题
虽然卫星本身不能再向地球传回任何信息，但科学家依旧在等待更多的图像。一个小小的盒子，可能是这次“人造天象”的最佳观众。
在这次撞击任务 15 天前，DART 卫星上分离出一个小型的立方体“盒子”（LICIA Cube），它由意大利太空总署提供，是一个自带翅膀的图像采集器。分离后，它也会自动调整姿态，达到 DART 的上空，见证撞击的历史时刻，并捕捉撞击过程中小行星喷射物在太空中所形成的图像。
不过由于 LICIA Cube 没有配备大型天线，图像将在未来几周内一张一张传回地球。有了它提供的图像，再加上卫星本身传回的图像，人们可以期待未来会出现这次撞击更生动全面的记录。
两颗行星与 DART 的大小对比｜来源：NASA
据科学家预测，这次撞击，可能会让 9980 千克到 99800 千克的小行星被物质被弹射出来，并在表面形成陨石坑。在相撞的瞬间，将有数以百万计的微小岩石被挤压，它们所形成的推力总和，将加成 DART 撞击带来的效果。
研究相撞模型的科学家发现，影响撞击结果的主要因素有卫星 DART 的速度、两者碰撞时的角速度，还有就是被撞击小行星本身的内部结构或者材料特性。
组成小行星的岩石的强度，和这些岩石的孔隙度（也就是岩石中间的空气体积含量），将会对撞击结果产生显著影响。但是由于目前人们并不了解小行星岩石本身的情况，科学家除了测算不同的模型，也在等待 LICIA Cube 传回的图片，得到更多的信息。
不同孔隙度下，科学家进行的结果测算｜来源：NASA
过去几十年，越来越多的证据表明，许多小行星并非以固体岩石的形态存在，也不是含有数百万个微孔的岩石。它们存在形态是碎石堆，也就是松散的巨石堆。引力的作用使得这些石头聚集在一起，形成一颗小行星。它们很像漂浮在宇宙中的巨型石场。科学家怀疑，Dimorphos 也是这样的存在。
人类将地球到太阳的最近距离定义为 1 个天文单位，如果有天体近日距离小于 1.3 个天文单位，就被认为是近地天体。
目前观测到的近地天体主要是小行星和彗星，还有最常见的流星。
根据 NASA 内部一份近地天体研究中心的数据，截至 2020 年 7 月 20 日，已知的近地小行星有 23,118 颗。其中一小半的小行星直径达到了 140 米。这些都是有可能给地球带来潜在威胁的小行星，只是目前人类对它们知之甚少。
在新闻中，每隔一段时间也会出现某颗小行星未来会撞击地球的预测，但是过一段时间又会被证明是计算错误。1998 年，有消息称一颗小行星将于 2028 年撞击地球。后来人们发现计算错误，那颗小行星将与地球擦肩而过。
据推测，在太阳系早期，大概在十亿年前，地球遭受过大量的小行星撞击。目前，地球上已经发现了大约 200 个小行星撞击坑，还有疑似的撞击坑。
按照目前已有的信息来推算近地天体撞击地球的概率，直径 200 米量级的小型天体是每千年出现一次。而 6500 万年前导致恐龙灭绝的那次撞击，是一颗直径 15 公里的小行星。它发生的概率以亿年计算。这在已知的历史中仅仅发生过这一次。
对人类来说，一颗直径达到 1000 米的小行星，就能够对地球带来毁灭性打击——撞击产生的尘埃会覆盖大部分陆地，也会在海洋引起海啸。
据目前掌握的数据，在未来 100 年内，没有任何已知直径大于 140 米的小行星可能撞击地球。而人类的视野尚存在盲区，还有一部分小行星未被观测到。
此外，还有个别小行星被列入“潜在威胁”的名单，有一颗小行星被认为在 100 多年后有千分之一的概率撞击地球；另一颗被预测在 700 多年后，有三百分之一的概率撞击地球。好在人类不是恐龙，面对小概率事件，会从几百年之前就思考方案。
对了，为了纪念人类的首次小行星改道实验，你今天可以用“DART NASA”作为暗语，触发一个被 DART 撞击后倾斜了的网页。
歪斜的纪念｜来源：Google
DART 的撞击只是一个起点，这个计划会在未来几年以不同的方式持续进行。
除了地球上天文台对这个双星系统的观测之外，在 2024 年，欧洲宇航局将会发射名为“赫拉”的航天器，在 2026 年抵达双星系统。主航天器和它所携带的 2 个类似于 LICIA Cube 的图像采集器，将会近距离观测 Dimorphos 这次留下的碰撞痕迹——陨石坑，并测量它的质量。
届时，这个双星系统的更多数据将被科学家掌握——到时候，Dimorphos 或许将成为人类在宇宙中最了解的小行星。
而不论结果如何，这次具有里程碑意义的“太空出击”，都在历史上留下了一笔——接下来不少好莱坞科幻影片的开头，可能就来自 DART 的这次太空任务。
本文来自微信公众号：极客公园 （ID：geekpark），作者：凌梓郡
