DART：開啟人類行星防御歷史篇章

文/徐蒙

北京時間2022年9月27日清晨7點14分，由美國宇航局發射的一顆名為“雙小行星重定向測試任務”（DART）的探測器，在歷經10個月的太空飛行后，抵達了此次任務的終點站——一個由兩顆小行星狄迪莫斯（Didymos）和狄莫佛斯（Dimorphos）組成的雙小行星系統附近，最終以6.6千米/秒高速撞向小行星狄莫佛斯，結束了自己短暫而引人矚目的一生，為人類的行星防御戰揭開了歷史性的篇章。

▲ 撞擊發生前，DART探測器近距離拍攝到的小行星狄莫佛斯（直徑約160米），幾秒后，探測器撞向小行星并停止工作

不同于過去其他近地小行星探測器，例如探訪了小行星“龍宮”的日本宇宙航空研究開發機構的“隼鳥2號”和探訪了小行星“貝努”的美國宇航局“奧西里斯-雷克斯”，DART探測器有著特殊的使命：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——這是人類首次行星防御演習。

地球，籠罩在小行星的威脅之下

我們賴以生存的地球，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，就沒少挨過撞。

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，就可能誕生于大約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。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。

不過別擔心，隨著太陽系趨于平靜，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。或許正是因為有這樣相對安寧的環境，才有了地球上生命誕生繁衍的條件，才有了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于約6600萬年前，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約200千米的隕石坑，并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眾多動植物的滅絕——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”。

只是，這么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事件平均每1億~2億年才會發生一次；直徑1千米級別的小行星撞擊平均每50萬年才會發生一次。

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，麻煩的是，地基望遠鏡觀測到它們的難度也越大。隨著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）。

直徑140米以上，軌道與地球軌道相交的近地小行星，與人類的存亡尤為息息相關：這個尺寸的小行星完全可能毀滅一座城市，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10年前的2013年，俄羅斯的車里雅賓斯克市就發生過這樣的事故：一顆直徑近20米小行星來襲，空爆和沖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。

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。

▲ DART任務的海報

總之，對地球人來說，這份來自小行星的威脅并不是杞人憂天，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，而隨著人類深空探測技術的發展，是拿回主動權的時候了。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關鍵時刻，一顆大個頭的小行星馬上就要撞過來了，而事實上，目前的小行星觀測數據顯示，至少接下來的100年里，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的好時機。

▲ 小行星空爆和沖擊波震碎的車里雅賓斯克劇院玻璃

如果將來有一天，預知一顆直徑幾十甚至100多米的小行星真的快要撞上地球了，人類要如何抵御這顆小行星，要如何自救？現在，我們還有足夠長的時間，來為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毀。

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。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。不過從技術上來說，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。

▲ 北京時間2022年9月27日，LICIACube在撞擊實施的幾分鐘后拍攝的兩顆小行星，狄莫佛斯四周可見明顯的撞擊產物飛濺出來。

一次是2005年，深度撞擊號探測器釋放撞擊器，撞了坦普爾1號彗星的彗核；另一次是2019年，隼鳥2號探測器釋放撞擊器在小行星龍宮上撞出了一個坑。

難點在于，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，讓小行星發生“看得見”的軌道變化呢？

答案是，選擇一顆合適的小行星來撞。

▲ LICIACube 衛星發回的照片

DART任務選中的，是一顆直徑約160米，名叫狄莫佛斯的近地小行星。然而，對質量僅570千克（撞擊時）、展開太陽能板全長也不足20米的DART探測器來說，這么大的小行星依然是個龐然大物。但巧妙的是，這顆即將被撞的小行星不是單槍匹馬，它還環繞著一另顆個頭更大、直徑約780米的小行星狄迪莫斯轉動，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。

觀察一顆小行星環繞太陽的微小軌道變化，其實非常困難。雙小行星系統狄迪莫斯和狄莫佛斯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。

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——伴星狄莫佛斯環繞主星的公轉周期很短，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。

▲ 哈勃（左）和詹姆斯·韋伯（右）空間望遠鏡拍攝的被撞后的小行星狄迪佛斯，可見小行星四周，撞擊飛濺出的物質形成的明亮輻射線

▲ DART探測器撞擊小行星之后可能帶來的變化

▲ 2003年11月23、24和26日，阿雷西博天文臺的S波段雷達對主星狄迪莫斯進行的14次雷達成像，可以清楚看到主星旁的伴星狄莫佛斯

據目前的推算，DART探測器以6.6千米/秒的速度迎頭撞向狄莫佛斯，可以把這顆小行星環繞主星一圈的周期縮短上好幾分鐘，已經足夠觀測到了。也不用擔心，這種程度的撞擊并不會大幅改變小行星狄莫佛斯的軌道，更加不會影響到主星的運行，兩顆小行星原本在接下來的至少100年里不會撞向地球，撞完之后也不會“反水”來撞地球。

但撞擊到底會對小行星帶來多大的變化，也不是那么容易預測的，畢竟，真實的小行星既不是質點也不是剛體，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。直徑百米級的狄莫佛斯由松散的碎石堆組成，這樣的結構更加不穩定。

▲ 羅威爾天文臺的羅威爾發現望遠鏡

地球望遠鏡：終于輪到我出場了

在實施撞擊的15天前，DART探測器預先分離出一顆立方星LICIACube。這顆立方星由意大利空間局研制，可以用自己的推進系統調整軌道，在撞擊發生的幾分鐘后近距離飛掠小行星狄莫佛斯，用自己攜帶的相機確認撞擊情況。

立方星一睹為快之后，眾多環繞地球的空間望遠鏡和地球上的地基望遠鏡也紛紛加入了對小行星狄莫佛斯的后續觀測。尤為令人矚目的是哈勃空間望遠鏡和詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，兩個空間望遠鏡在撞擊后的幾個小時里，分別拍攝了狄莫佛斯在近紅外和可見光波段下的照片，撞擊飛濺出的物質明亮耀眼。

事實上，之所以DART探測器選擇在2022年9月27日撞擊，正是因為這個雙小行星系統會在10月份近距離飛掠地球——至少在這個公轉周里，這是兩顆小行星距地球最近的時候，可以近到1100萬千米，借助這個天然的近距離觀測機會，地球望遠鏡有機會更清楚地觀察這兩顆小行星。它們下一次近距離飛掠地球，就要到2024年了。

當然，我們更關注的還是這次撞擊到底讓小行星的軌道改變了多少，美國宇航局最新公布了數據：DART探測器9月27日撞向近地雙小行星系統的伴星——狄莫佛斯后，伴星繞主星運行的軌道從11小時55分降低為11小時23分，縮短了32分鐘，【大大超過了原本預期的幾分鐘】，也就是說這次撞擊對小行星的軌道的改變比預想的還要顯著。

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。

新技術的試驗場！

嚴格來說，DART探測器僅僅攜帶了一件用于探測的儀器，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。然而，DART探測器不止于此，它還會在殞滅之前“發光發熱”。雖然沒有復雜的科學探測使命，但DART探測器攜帶了多種新儀器，為諸多新技術開辟了試驗場。

▲ DART探測器的光學導航相機DRACO位置

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于探測器的軌道機動和姿態控制；使用氙氣的離子發動機，則用于驗證美國宇航局的新型離子推進系統NEXT-C在太空中的使用情況。相比于過去在“深空一號”、“黎明號”上使用的離子推進系統，NEXT-C系統比沖更高，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。

卷軸式太陽能板框架

為了更大限度壓縮發射體積和質量，DART探測器采用了卷軸式的太陽能板框架ROSA，發射后在太空中徐徐打開。相比于傳統的折疊式太陽能板，ROSA更為輕便靈活。

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。這些用于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3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。

智能自主導航

事實上，直到撞擊發生的一個小時前，目標小行星狄莫佛斯在DART探測器的光學導航相機中還只是1個像素的小點。為了準確找到小行星、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，該系統在撞擊器前4個小時啟動，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探測器和小行星狄莫佛斯的大小對比

▲ 撞擊前1個小時里DART相機鏡頭中能看到的小行星大小變化模擬

高效通訊的高增益天線

DART探測器沒有使用傳統的“大鍋”作為高增益天線，而是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，但之前未曾用于深空探測器的通訊。

驗證這些新技術，雖然不會為DART任務本身帶來什么益處，卻可以造福之后的眾多深空探測器。

赫拉號：前赴后繼

然而，想要深入了解DART探測器的撞擊成果，對DART探測器撞擊后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里也只是幾個像素的小亮點而已。

因此，DART探測器之后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”。

▲ 撞擊成功后，控制室一片歡呼

▲ 赫拉號探測器的藝術想象圖

“赫拉號”計劃于2024年發射，2026年抵達雙小行星系統，對主星狄迪莫斯和伴星狄莫佛斯展開全方位的深入探測。屆時，這對小行星將成為繼糸川、龍宮、貝努之后人類最了解的近地小行星，也將成為首對被人類探測器兩度近距離探測過的小行星。

行星防御，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御航天器，但DART任務留下的第一手試驗數據，始終有著重要參考價值。

數百年后，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。