人类首次改变了天体轨道，为行星防御做准备

导读：地球并非在绝对静止的真空中孤独航行。事实上，我们的星球每一天都在承受着约数十吨宇宙尘埃与微小颗粒的密集轰击。虽然大气层这道天然屏障为我们挡住了绝大多数细碎的威胁，但那些直径超过 140 米、足以摧毁整座城市乃至造成区域性灾难的近地天体（NEO），绝大多数仍游离于人类的监测网之外。

长期以来，面对潜在的小行星撞击，人类的剧本似乎只有“祈祷”或“逃离”。然而，2022年9月NASA双小行星重定向测试（DART）的惊天一撞，彻底改写了这一叙事。这不仅是一次轨道力学的实验，更是人类星际防御能力的里程碑。

新研究揭示，当NASA的DART航天器于2022年9月故意撞击孪小星（Dimorphos）时，它不仅仅改变了孪小星围绕其较大伴侣孪大星（Didymos）的运动；这次撞击还改变了这两颗小行星围绕太阳的轨道。通过引力连接在一起，孪达星和孪小星围绕一个共同的质量中心相互环绕，这种配置被称为双星系统，因此对一颗小行星的改变会影响另一颗。

根据周五发表在《科学进展》杂志上的一项研究，对这对小行星运动的观察显示，在DART航天器撞击孪小星后，它们围绕太阳的770天轨道周期改变了几分之一秒。这一变化标志着人类制造的物体首次可测量地改变了天体围绕太阳的路径。

哈勃空间望远镜在NASA的DART航天器撞击孪小星几天后，观察到从孪达星-孪小星系统喷射出的两条尘埃尾巴。

图片来源：NASA, ESA, Jian-Yang Li (PSI), Joe Depasquale (STScI)）

“这是一个微小的轨道变化，但如果时间足够长，即使是微小的变化也能成长为显著的偏转，”华盛顿NASA总部太阳系小天体首席科学家Thomas Statler说。“团队的惊人精确测量再次验证了动能撞击作为防御地球免受小行星危害的技术，并展示了如何通过仅撞击双小行星对中的一员来偏转双小行星。”

强烈的撞击

当DART撞击孪小星时，这次撞击将大量的岩石碎片炸向太空，改变了这个宽170米的小行星形状。因为碎片携带着自身的动量远离小行星，它给了孪小星一个爆炸性的推力，科学家称之为动量增强因子。喷射出的碎片越多，冲击力越大。根据新研究，DART撞击的动量增强因子约为2，这意味着碎片损失使航天器本身的冲击力翻倍。

NASA的双小行星重定向测试任务改变了孪小星绕太阳运行的轨道

图源：NASA/JPL

早期的研究显示，这颗较小小行星围绕近805米宽的孪大星的12小时轨道周期缩短了33分钟。新研究显示，这次撞击从双星系统中喷射出如此多的物质，以至于它还将双星围绕太阳的轨道周期改变了0.15秒。

“双星系统轨道速度的变化约为每秒11.7微米，或每小时1.7英寸，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究首席作者Rahil Makadia说。“随着时间推移，这种小行星运动的微小变化可能决定一个危险物体是撞击还是错过我们的星球。”

虽然孪小星并没有与地球碰撞的轨道，而且DART任务不可能将其置于碰撞轨道上，但轨道速度的变化强调了航天器，在此背景下称为动能撞击器，如果未来发现潜在危险小行星处于碰撞路径上，可能发挥的作用。关键是提前足够远地探测近地物体，以发送动能撞击器。

为此，NASA正在建造近地物体（NEO）勘测器任务。由加州南部NASA喷气推进实验室管理的这个下一代太空勘测望远镜是第一个为行星防御而建的任务。该任务将寻找一些最难发现的近地物体，如不反射太多可见光的黑暗小行星和彗星。

他们是如何做到的?

为了证明DART对两颗小行星，不仅仅是较小的孪小星，产生了可检测的影响，研究人员需要以极高的精度测量孪大星围绕太阳的轨道。因此，除了对小行星进行雷达和其他地面观测外，他们还跟踪了恒星掩星，这种现象发生在小行星正好从一颗恒星前方经过时，导致光点在几分之一秒内闪烁消失。这种技术提供了小行星速度、形状和位置的极精确测量。

DART撞击后，孪小星出现碎片尾流

图源：NASA

测量恒星掩星具有挑战性：天文学家必须在正确的时间和地点，使用有时相隔数英里的多个观测站，来跟踪小行星在特定恒星前方预测的路径。该团队依靠全球志愿天文学家，他们在2022年10月至2025年3月间记录了22次恒星掩星。

“当与多年的现有地面观测相结合时，这些恒星掩星观测成为帮助我们计算DART如何改变孪小星轨道的关键，”研究共同领导者、JPL高级研究科学家Steve Chesley说。“这项工作高度依赖天气，并且往往需要前往偏远地区，没有成功的保证。没有全球数十名志愿掩星观测者的奉献，这项结果是不可能实现的。”

研究孪大星运动的变化还帮助研究人员计算了两颗小行星的密度。孪小星的密度比之前认为的略低，这支持了它是由快速旋转的孪大星抛出的岩石碎片形成的理论。这些松散的物质最终聚集在一起形成了孪小星，一个“碎石堆”小行星。

参考

[1]https://www.nasa.gov/missions/dart/nasas-dart-mission-changed-orbit-of-asteroid-didymos-around-sun

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea4259