美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）即將發(fā)射的 DART（雙小行星重定向測(cè)試）任務(wù)或許將成為保護(hù)地球防御小行星威脅的模板。
也許有一天，一臺(tái)已經(jīng)在倉(cāng)庫(kù)里堆放許久的航天器會(huì)被召喚到發(fā)射臺(tái)，盡管它的建造者曾祈禱它永遠(yuǎn)不要發(fā)射。這不是普通的航天器，盡管工程師們?yōu)樗b載了盡可能多的高科技設(shè)備，但在設(shè)計(jì)上，它并不能幫助解開(kāi)任何一個(gè)科學(xué)之謎。相反，它將擔(dān)負(fù)起一個(gè)更加嚴(yán)峻的任務(wù)：使小行星偏離撞向地球的軌道。
時(shí)至今日，科學(xué)家已經(jīng)追蹤了地球附近的 27000 多塊太空巖石，尚未發(fā)現(xiàn)這樣的小行星。然而，行星防御領(lǐng)域的專家們很清楚，在 6500 萬(wàn)年前，正是這樣一個(gè)物體導(dǎo)致了大多數(shù)恐龍滅絕。他們決心確保人類不會(huì)遭遇同樣的命運(yùn)，于是提出了一個(gè)解決方案：將任何有威脅的小行星推開(kāi)，以避免撞上地球。
現(xiàn)在，世界上第一個(gè)用于行星防御的航天器正在美國(guó)加利福尼亞州范登堡太空基地待命，準(zhǔn)備迎接 11 月 23 日的首次發(fā)射機(jī)會(huì)。按照計(jì)劃，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的雙小行星重定向測(cè)試 DART 任務(wù)即將于北京時(shí)間：11 月 24 日下午 2 點(diǎn) 20 分發(fā)射，將搭載 SpaceX 公司的獵鷹 9 號(hào)火箭，從加州范登堡太空部隊(duì)基地發(fā)射。DART 探測(cè)器將在不到一年的時(shí)間內(nèi)抵達(dá)一個(gè)近地雙小行星系統(tǒng)，最終撞擊小行星 Didymos 的小衛(wèi)星（稱為 Dimorphos）。如果一切順利，該探測(cè)器將為行星防御提供關(guān)于小行星軌道偏轉(zhuǎn)的第一份真實(shí)數(shù)據(jù)。
這不是一個(gè)新問(wèn)題：人們已經(jīng)知道小行星是一個(gè)潛在的威脅，也一直想要采取措施來(lái)防止未來(lái)發(fā)生這種情況，也許這是人們心中長(zhǎng)久以來(lái)就有的一個(gè)念頭。
讓小行星偏轉(zhuǎn)的方法不止一種，而 DART 任務(wù)測(cè)試的技術(shù)被稱為“動(dòng)能撞擊器”（kinetic impactor）。具體而言，就是當(dāng)你用足夠大的物體以足夠快的速度直接撞擊一顆小行星時(shí)，其運(yùn)行軌道就會(huì)改變。首先，這顆小行星會(huì)減速，而這意味著它會(huì)落向所環(huán)繞運(yùn)行的天體，通過(guò)物理學(xué)運(yùn)算可知，小行星在更靠近該天體的軌道上要比在原來(lái)的軌道上稍快一些。
確定目標(biāo)
DART 探測(cè)器的將把它的全部重量（550 千克）撞向小行星 Didymos 的小衛(wèi)星 Dimorphos。DART 任務(wù)成員選擇該系統(tǒng)有很多原因，但最重要的是因?yàn)樗x地球足夠遠(yuǎn)。
DART 任務(wù)的這個(gè)目標(biāo)確實(shí)選得很好。
目前從地球到 Didymos 的距離為 4.836 億公里。但當(dāng)?shù)厍蚺c Didymos 各自沿著圍繞太陽(yáng)的軌道運(yùn)行時(shí)，這個(gè)距離會(huì)在 1000 萬(wàn)到 4.93 億公里之間變化。
科學(xué)家認(rèn)為，這兩塊太空巖石都是近地小行星中最常見(jiàn)的類型（S-型，一般由硅化物構(gòu)成，與普通球粒隕石類似）。Didymos 寬度約 780 米，與一座超高層摩天大樓相當(dāng)；它的小衛(wèi)星 Dimorphos 約 160 米寬，與埃及的大金字塔差不多。
在行星防御專家看來(lái)，這種大小的小行星尤其具有研究?jī)r(jià)值。他們將小行星分為三類，最大的那些寬度超過(guò) 1000 米，可能會(huì)造成最大程度的破壞，但同時(shí)也是最容易被發(fā)現(xiàn)的。目前，科學(xué)家非常自信他們已經(jīng)找到了大部分這樣的小行星，但沒(méi)有一個(gè)會(huì)對(duì)地球造成威脅。最小的小行星由于體積有限，不會(huì)造成太大的破壞；有些甚至在穿越地球大氣層就已燃燒殆盡。
處在中間的是寬度超過(guò) 140 米，但又不到 1000 米的小行星，這也是行星防御專家們最擔(dān)心的一類。這些小行星比 1000 米以上的小行星更難發(fā)現(xiàn)，但如果其中一顆撞擊地球，仍可能造成區(qū)域性的災(zāi)難事件。Dimorphos 的大小剛好在這個(gè)范圍內(nèi)。
DART 團(tuán)隊(duì)還希望瞄準(zhǔn)一顆圍繞較大小行星運(yùn)行的小衛(wèi)星，而不是圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的小行星。這一選擇部分是為了方便，部分是出于謹(jǐn)慎。首先，DART 任務(wù)的領(lǐng)導(dǎo)者相信，輕推 Dimorphos 不會(huì)意外導(dǎo)致任何物體撞向地球，使這個(gè)團(tuán)隊(duì)正在努力解決的問(wèn)題惡化。
一顆小行星可能每幾年才能繞軌道運(yùn)行一周，但 Dimorphos 大約每 12 小時(shí)就會(huì)繞 Didymos 運(yùn)行一周。DART 團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，這次撞擊可能會(huì)使這一周期縮短 10 分鐘左右，與 12 小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間相比，這種差別已經(jīng)相當(dāng)明顯，而且可以更快地記錄下來(lái)。
DART 的觀測(cè)結(jié)果將是首次真實(shí)的小行星撞擊數(shù)據(jù)，未來(lái)的行星防御者可以將這些數(shù)據(jù)輸入到模型中，得出可以用多大體積航天器，采用多快的速度，才能足以抵御一顆小行星。這正是 NASA 戈達(dá)德太空飛行中心的航空工程師布倫特?巴比所從事的工作。他負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)假想的航天器任務(wù)，特別是為行星防御領(lǐng)域每?jī)赡昱e行一次的重要會(huì)議設(shè)計(jì)實(shí)踐場(chǎng)景。
“DART 任務(wù)的結(jié)果將從許多方面，為我們推進(jìn)行星防御的假想工作提供信息，”布倫特?巴比說(shuō)，“在未來(lái)很多年里，它將影響我們?cè)O(shè)計(jì)行星防御任務(wù)的思考方式，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)任務(wù)的重要性的確不能被低估?！?/p>
是防御還是威脅？
DART 任務(wù)只是一次針對(duì)小行星可能撞擊地球場(chǎng)景的演練。如果測(cè)試成功，NASA 就可以使用同樣的技術(shù)，將威脅地球的巖石從地球軌道上推開(kāi)。但這種情況發(fā)生的可能性有多大？有沒(méi)有一顆小行星會(huì)像歷史上導(dǎo)致白堊紀(jì)-古近紀(jì)滅絕事件 —— 絕大多數(shù)恐龍?jiān)诖舜问录袦缃^ —— 的小行星一樣，給地球帶來(lái)翻天覆地的變化？
好消息是，這是一種可能性非常低的情況，真正大規(guī)模的全球事件一定非常罕見(jiàn)，否則我們?nèi)祟愐膊粫?huì)在這里，如果全球滅絕事件經(jīng)常發(fā)生的話，就不可能有人類生命。
但當(dāng)遇到一些較小規(guī)模的撞擊時(shí)，不一定會(huì)造成全球性問(wèn)題，而是會(huì)造成嚴(yán)重的局部災(zāi)害。太空中有許許多多這樣的天體，而且這樣的撞擊事件可能會(huì)更頻繁地發(fā)生。需要明確指出的是，“頻繁”其實(shí)指的是天文時(shí)間尺度上的“頻繁”，可能意味著數(shù)十萬(wàn)年甚至更久的時(shí)間范圍。
這里我們需要了解“近地”的概念。世界各國(guó)的天文學(xué)家仍在繼續(xù)努力，試圖填補(bǔ)對(duì)地球附近存在什么天體的認(rèn)知空白。近地天體包括距離地球 1.3 個(gè)天文單位，即 1.945 億公里以內(nèi)的天體。目前，對(duì)于地球附近太空中較大的天體（即大小在 140 米以上的天體），天文學(xué)家只了解其中大約 30% 至 40%。
目前一個(gè)新的近地天體調(diào)查項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入了 NASA 的初步設(shè)計(jì)階段。該任務(wù)的目標(biāo)很簡(jiǎn)單，基本上就是對(duì)地球附近超過(guò) 140 米的天體進(jìn)行詳盡的調(diào)查。隨著我們對(duì)“靠近”地球的物體了解得越多，DART 任務(wù)將為保護(hù)地球提供所需的工具。換言之，DART 任務(wù)的重要性在于，它將有助于評(píng)估在行星防御中有哪些必要的技術(shù)。當(dāng)遭遇小行星威脅時(shí)，如果有早已經(jīng)過(guò)演示的技術(shù)手段，那建造下一個(gè)航天器就會(huì)更加容易。
一切都取決于時(shí)機(jī)
從事行星防御研究的科學(xué)家們很快就意識(shí)到，我們不可能在發(fā)現(xiàn)威脅之前將其轉(zhuǎn)移。對(duì)地球上的人們來(lái)說(shuō)，預(yù)警時(shí)間越多，情況就越有力。
對(duì)于 DART 任務(wù)所測(cè)試的“動(dòng)能撞擊器”方法，預(yù)警時(shí)間尤為重要，因?yàn)樾⌒行擒壍赖念A(yù)期變化是相當(dāng)小的，小行星需要繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)幾個(gè)圈之后，才能積累足夠的變化，使其最終不會(huì)與地球發(fā)生碰撞。當(dāng)你有幾十年的預(yù)警時(shí)間時(shí)，動(dòng)力撞擊器就有足夠的時(shí)間完成任務(wù)。
有了足夠的預(yù)警時(shí)間，就有了更多的可能性，比如我們可以發(fā)射一艘宇宙飛船偵察危險(xiǎn)小行星，并完善偏轉(zhuǎn)任務(wù)。
當(dāng)你有充足的預(yù)警時(shí)間時(shí)，你要做的第一件事就是去更好地看看這個(gè)東西是什么樣子，從而知道你面對(duì)的是什么，你可能不會(huì)指望發(fā)送到這顆小行星上的第一個(gè)東西就能使它偏離。
科學(xué)家只能從地球上了解任何一顆小行星，包括它的軌道，以及對(duì)其體積的模糊估計(jì)，也許對(duì)它的形狀和組成有一個(gè)模糊的概念。所有這些因素都會(huì)影響到最優(yōu)行星防御任務(wù)的設(shè)計(jì)。這將是非常有用的信息，但對(duì)于 DART，我們無(wú)法提供太多，這實(shí)際上可能比獲得更長(zhǎng)的預(yù)警時(shí)間更有挑戰(zhàn)性。
人的因素
在真實(shí)的行星防御場(chǎng)景中，預(yù)警時(shí)間的一個(gè)重要用途將與小行星無(wú)關(guān)，而是與人類關(guān)系更大。無(wú)論是否還有時(shí)間阻止小行星撞擊，國(guó)際對(duì)話都至關(guān)重要。行星防御專家強(qiáng)調(diào)，一些國(guó)家可能會(huì)受到撞擊，另一些國(guó)家或許能夠采取行動(dòng)阻止撞擊，還有一些國(guó)家可能會(huì)受到附帶影響。因此，所有國(guó)家都應(yīng)該參與到地球的防御當(dāng)中。
但與流行病或氣候變化這樣的事件不同，對(duì)于小行星撞擊可能引發(fā)的災(zāi)難，目前還沒(méi)有正式的專業(yè)國(guó)際組織。聯(lián)合國(guó)安理會(huì)可能會(huì)負(fù)責(zé)此事，但世界各國(guó)間的交流也非常重要。從法律上講，行星防御尤其棘手，因?yàn)橐环N潛在的偏轉(zhuǎn)技術(shù)依賴于核爆炸，而核武器是不允許進(jìn)入太空的。隨著行星防御技術(shù)的發(fā)展，該領(lǐng)域正變得越來(lái)越跨學(xué)科，不僅與科學(xué)和航天工程有關(guān)，還涉及國(guó)際法和救災(zāi)應(yīng)急。
是時(shí)候發(fā)射了
行星防御專家認(rèn)為，動(dòng)能撞擊器方法只是偏轉(zhuǎn)小行星路徑的一種技術(shù)。其他選擇可能會(huì)用到激光、飛船引力牽引或核爆炸等。在必要的時(shí)候選擇哪一種方法最為合理，將取決于地球擁有的預(yù)警時(shí)間和小行星的大小。有時(shí)，使一顆小行星偏轉(zhuǎn)甚至需要不止一次任務(wù)，設(shè)計(jì)任務(wù)的難度也會(huì)隨之增加。
任何一次發(fā)射都需要兩個(gè)組成部分：火箭和航天器。我們還會(huì)采用按需建造的方法嗎？還是更愿意采用模塊化的建造方式，或者我們能否在整個(gè)航天器建造完成后，將它存放在某個(gè)倉(cāng)庫(kù)或其他地方？這也是一個(gè)問(wèn)題。
同樣地，我們也要考慮火箭發(fā)射的推力問(wèn)題。真正有用的是讓火箭做好發(fā)射的準(zhǔn)備，因?yàn)檫@通常無(wú)法倉(cāng)促完成，假設(shè)你的時(shí)間突然變少：在目前的程序下，要及時(shí)準(zhǔn)備好發(fā)射一枚火箭將會(huì)相當(dāng)困難。
另一方面，如果偏轉(zhuǎn)任務(wù)需要進(jìn)行一系列發(fā)射，后勤問(wèn)題也會(huì)成倍增加。出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)也是如此。盡管這只是一種可能性，但行星防御專家們?nèi)孕枰獙?duì)此進(jìn)行評(píng)估。
許多噩夢(mèng)般的場(chǎng)景會(huì)出現(xiàn)。例如，小行星發(fā)生了部分偏轉(zhuǎn)，但不足以遠(yuǎn)離地球，它仍在飛向地球，但此時(shí)的撞擊點(diǎn)已經(jīng)不在原來(lái)的位置，現(xiàn)在我們?nèi)藶閯?chuàng)造了另一個(gè)災(zāi)難，不同于自然版本的災(zāi)難。
我們也可能對(duì)小行星的質(zhì)量估計(jì)有誤，或者小行星的軌跡沒(méi)有像預(yù)測(cè)的那樣。當(dāng)你撞擊小行星，而不是將它作為完整的物體使其偏轉(zhuǎn)時(shí)，你可能會(huì)無(wú)意中使它斷裂出碎片。這些碎片可能也會(huì)對(duì)地球造成威脅。
因此，存放在倉(cāng)庫(kù)中的航天器最好不止一個(gè)，你可能會(huì)先發(fā)送一個(gè)，過(guò)后再發(fā)送另一個(gè)，可能會(huì)在幾周后到達(dá)。根據(jù)第一個(gè)航天器的情況，在決定是否需要推動(dòng)它多一點(diǎn)或少一點(diǎn)。
事實(shí)上，耗資 3.3 億美元的 DART 任務(wù)確實(shí)有后續(xù)計(jì)劃。歐洲空間局（ESA）將在 2024 年發(fā)射一臺(tái)名為“赫拉”（Hera）的航天器，其探測(cè)結(jié)果將于 DART 任務(wù)之前的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，讓科學(xué)家們更詳細(xì)地了解真正的行星防御任務(wù)可能需要考慮的因素。
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