NASA 的 DART 任務可能有助於取消小行星撞擊地球的末日

編者注 (22 年 9 月 26 日)：在 2021 年 11 月發射後，NASA 的雙小行星重定向測試 (DART) 任務計劃於 9 月 26 日美國東部時間晚上 7:14 與小行星 Dimorphos 相撞。

當安迪·裡夫金還在上大學時，他有一些朋友在醫學院。“我就想，老天，我不想做任何責任太大的事情，”他說。相反，他仰望星空。“天文學似乎很安全。” 而且，有一段時間，確實如此。他不必對別人的根管治療或腹部手術做出決定，而是觀看世界在黑暗中飛逝。

但裡夫金是巴爾的摩約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室 (APL) 的行星天文學家，他發現自己承擔的責任比預期的要多。他和數百人一起參與了雙小行星重定向測試 (DART) 任務，這是一項由 NASA 和 APL 領導的雄心勃勃的計劃，旨在將一艘無人航天器撞擊小行星以改變其軌道。這是為真正行動進行的演習：總有一天，DART 的技術後代可以用來偏轉一顆威脅地球的太空岩石，從而拯救數百萬——甚至數十億——人的生命。

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11 月 23 日，DART 將從加利福尼亞州范登堡太空部隊基地搭乘 SpaceX 獵鷹 9 號火箭發射升空。明年秋天的某個時候，它將以每小時 24,000 公里的速度撞擊目標。像裡夫金這樣的地面天文學家將屏息凝神地觀看這次交會，希望能看到成功的明顯跡象：塵埃雲，以及一顆小行星第一次隨著人類的節奏跳舞。它會成功嗎？

“我們不知道會發生什麼，因為我們以前從未嘗試過，”紐西蘭坎特伯雷大學的行星天文學家米歇爾·班尼斯特說。

成功並不意味著地球會自動免受流氓小行星的侵害。儘管我們將保護地球家園的大部分希望寄託在射擊太空岩石上，但在行星防禦方面沒有萬全之策。小行星奇異且多變的地質可能阻礙我們的偏轉嘗試，我們的早期預警望遠鏡網路充滿了巨大的觀測漏洞，並且決定誰可以嘗試偏轉來襲撞擊器的政治充滿了不確定性。

毫無疑問，DART 代表著向前邁出的重要一步。但是，制定全面的行星防禦計劃的道路漫長而曲折，我們才剛剛開始走上這條道路。

阻止下一個通古斯事件

儘管德克薩斯州大小的小行星反派在好萊塢大片中佔據顯著地位，但大型岩石並不是頭腦冷靜的科學家們非常關注的原因。幾乎所有直徑一公里或更大，軌道接近地球的小行星都已被發現，並且在未來幾個世紀內都不會對我們構成嚴重威脅。

就像生活中的許多事情一樣，當涉及到行星防禦時，重要的是小東西。據估計，2013 年 2 月 15 日在俄羅斯車里雅賓斯克市上空爆炸的太空岩石只有 17 米長——然而，其爆炸威力相當於約 470 千噸 TNT，釋放出的衝擊波震碎了窗戶，造成 1200 人受傷。

這次空爆事件是社交媒體時代以來的首次，震驚了全世界。“這令人警醒，”NASA 行星防禦協調辦公室的近地天體觀測專案經理凱利·法斯特說——該辦公室並非巧合地在車里雅賓斯克事件發生三年後成立。

情況可能會更糟。1908 年，一顆似乎是 60 米的流星在西伯利亞偏遠地區上空爆炸，夷平了超過 2000 平方公里的森林。想象一下，這種情況發生在你居住的城市或城鎮上空：建築物將被夷為平地，碎片將在颶風般的狂風中飛舞，暴露在最初灼熱的閃光中的衣服和肉體都可能燃燒起來。這將堪比一次大規模核爆炸，只是沒有輻射。

這些小型撞擊器數量多得令人不安。模型表明，在那些直徑至少 140 米的撞擊器中，大約有 25,000 個會接近太陽 1.9 億公里以內。一些所謂的城市殺手物體可能會以令人不安的距離接近地球軌道。而對於這些微小但具有破壞性的近地天體，“我們認為我們已經找到了不到一半，”裡夫金說。

據估計，每個世紀，城市殺手撞擊地球的機率為 1%。即使這種情況發生，地球表面大部分是海洋，這表明太空岩石最有可能落在荒無人煙的地方。但是，如果其中一顆擊中任何國家，墜入一個國家的海岸線或在頭頂爆炸，都可能造成人類歷史上最嚴重的自然災害之一。任何一年，我們獲勝的機率都很大，但等待的時間足夠長，我們的運氣就會耗盡。亞利桑那大學的天文學家卡茨珀·維耶爾佐斯說，如果沒有有效的防禦計劃，“這不是是否會發生的問題，而是城市殺手何時會讓我們全球文明度過非常非常糟糕的一天的問題。”

好萊塢首選的防禦解決方案——核彈——可能確實有效，因為高保真模擬表明，足夠強大的爆炸要麼可以將小行星從地球軌道上擊開，要麼將其撕成無害的微小碎片。然而，使用核武器來偏轉或摧毀小行星被廣泛認為是充滿繁文縟節的最後手段，是對迫在眉睫的威脅進行的絕望的孤注一擲，天文學家發現這種威脅太晚了，以至於其他更微妙的干預措施不足以奏效。“動能撞擊器是我們目前認為的最佳解決方案，”北亞利桑那大學的行星天文學家克里斯蒂娜·托馬斯說——換句話說，使用一個快速但惰性的射彈在很多年前就偏轉小行星。

科學家們已經無數次模擬了用小行星玩檯球。但只有一種方法可以確定我們是否可以將一顆小行星從地球軌道上擊開：冒險進入黑暗，找到一顆小行星，並給它狠狠一擊。

人類對抗 Dimorphos

DART 是一個汽車大小的盒子，帶有兩個翼狀太陽能電池板，很快將飛向一個雙小行星系統。Didymos 直徑近 800 米，它的衛星 Dimorphos 繞其執行，Dimorphos 長 160 米。那顆小衛星是 DART 的目標。

大約在一個月後，Didymos 才會勉強在 DART 的相機中註冊。裡夫金說，在撞擊前四個小時，航天器的制導系統——一種與地球上用於導彈制導的技術堂兄弟——“接管方向盤並引導我們前進”。此後不久，Dimorphos 將作為一個模糊但清晰的光點進入視野。裡夫金解釋說，大約在兩分鐘後，自動駕駛儀“將手從方向盤上移開，腳從剎車上移開”。

DART 將拍攝並傳輸其快速接近的最終目的地的快照，直到最後一刻，然後分解成碎片雲和過熱等離子體，發生一次史詩般的——但完全無聲的——碰撞。在太空中，沒有人能聽到你發出“砰”的聲音。

理想情況下，DART 的動量會傳遞到 Dimorphos，留下一個撞擊坑，並將這顆小衛星圍繞 Didymos 的近 12 小時軌道至少移動 73 秒。DART 在 10 天前釋放的一顆小型的 CubeSat 將近距離觀察這次暴力事件，而地面天文學家將從遠處密切關注這個雙小行星系統，直到它在 2023 年春天從視野中消失。

天文學家篩選了 DART 的幾個目標候選者，但最終選擇了 Dimorphos，原因有幾個。第一個是安全：改變 Dimorphos 的軌道不會改變 Didymos 的軌道，使其與地球相交。第二個是 Dimorphos 有點像一個巨型時鐘上的指標，而 Didymos 位於時鐘的中心；儘管距離數億公里，地球上的天文學家也能夠輕鬆地看到撞擊後“指標”是否以不同的方式繞時鐘滴答作響。僅僅兩個月的觀測將揭示偏轉的有效性。托馬斯說，Dimorphos 的大小也屬於可以摧毀整個城市的那些小行星的範圍，使其處於“行星防禦角度的最佳位置”。

從任何標準來看，DART 都是一項奇怪的嘗試，它是一支專為熄滅而生的短暫蠟燭。與持續多年的典型行星際任務不同，它將在太空中執行僅 10 個月。沒有延期等待著它，因為 DART“有一個非常明確的結局”，APL 的 DART 任務系統工程師埃琳娜·亞當斯說。“在這種情況下，如果你讓它繼續執行”——換句話說，如果航天器錯過了目標——“你就真的搞砸了。”

因此，這裡對成功的最精簡定義僅僅是擊中目標並測量 Dimorphos 軌道的變化。但是，如果 Dimorphos 拒絕配合怎麼辦？

偏轉的諸多魔鬼

在 2005 年獨立日，NASA 的深度撞擊號航天器向坦普爾 1 號彗星發射了一個射彈，產生了火球和巨大的碎片羽流，使科學家們首次瞥見了彗核的內部。人類對坦普爾 1 號彗星的攻擊執行發現，彗核可能非常蓬鬆，歐洲航天局 (ESA) 的菲萊著陸器在 2014 年登陸另一顆相當蓬鬆的彗星 67P/丘留莫夫-格拉西緬科進一步證實了這一觀點。這種低密度目標給行星防禦帶來了問題。“你如何推動這樣的東西？你如何與海灘上的泡沫戰鬥？”班尼斯特說。

小行星也隱藏著令人不安的結構驚喜。當 NASA 的 OSIRIS-REx 航天器在 2020 年短暫接觸小行星 Bennu 以抓取一些岩石樣本時，它幾乎沉入目標點，就像表面是由“融化的黃油”組成的一樣，Hera 的首席研究員帕特里克·米歇爾說，Hera 是 ESA 領導的後續任務，計劃於 2026 年抵達 Didymos，以近距離檢查 DART 的後果。班尼斯特說，缺乏足夠的引力來擠壓其內部的小行星——可能包括那些直徑一公里或更小的城市殺手——可能像“成群結隊的岩石”。這反常地意味著，在許多方面，小型太空岩石比大型太空岩石更難處理，在大型太空岩石中，引力的巨手壓倒了大多數物質特性。因此，當試圖偏轉城市殺手時，班尼斯特說，也許我們應該思考：“你如何移動一群魚，而不是：你如何拋擲一座山？”

所有這些都與 DART 相關。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的行星防禦研究員梅根·布魯克·賽爾多次模擬了它註定的撞擊。“從表面上看，DART 實驗似乎非常簡單，”她說。但只有一件事是確定的：沒有任何結果是有保證的，因為 Dimorphos 的許多基本屬性仍然未知。

任務規劃者相當自信，DART 靜悄悄的死亡將成功地向 Dimorphos 傳遞類似檯球的撞擊，Dimorphos 似乎足夠重，可以被引力的力量充分擠壓。但如果是一個稍微不那麼堅固的物體，動能撞擊器可能會直接射穿，就像子彈穿過蛋糕一樣，將其炸成小但仍然危險的碎片。對於此類威脅的成功偏轉可能需要多次更溫和的撞擊，而不是一勞永逸的重擊。

另一個巨大的未知數是 Dimorphos 的外觀。它可能是土豆狀、狗骨狀、橡皮鴨狀、兩個保齡球粘在一起，或其他完全不同的形狀。一位同事最近送給亞當斯一塊甜甜圈形狀的冰箱磁鐵，暗示了小行星一旦被一些深空機器人使者近距離揭開面紗，就會給科學家們帶來多少驚喜。接近球形甚至土豆狀的形狀對於乾淨的撞擊來說是最佳的，而來自更復雜形態的不均勻質量分佈會增加擦邊球的機率，這種擦邊球可能只會“使小衛星旋轉起來，而實際上並沒有改變其軌道”，麻省理工學院的系統工程研究員奧利維爾·德維克說。

在 Dimorphos 這個特殊且良性的案例中，所有這些不確定性主要都是學術性的。但是，如果嘗試偏轉一顆真正的城市殺手，它們可能會被證明是至關重要的。例如，我們可能會成功地偏轉一顆潛在的危險小行星，但無意中將其置於一個新的軌道上，從而使其在長期內更有可能撞擊地球。在我們星球周圍的空間中，存在一些被稱為引力關鍵孔的點，地球對小行星的引力將使這顆迷途的太空岩石走上一條肯定具有破壞性的旅程。“一旦你穿過一個關鍵孔，撞擊地球的機率實際上是 100%，”德維克說。溫和地說，這構成了對新生撞擊威脅進行先發制人打擊的主要障礙。

有備方能無患

新興的計算確實令人望而生畏：保護我們自己免受最眾多和最棘手（因此也是最危險）的太空岩石的侵害，需要的不僅僅是在黑暗中射擊，尤其是在每次“射擊”都是數百萬美元的偏轉嘗試時。確保成功首先需要偵察威脅，以瞭解任何給定太空岩石的確切質量和吸收重擊的能力。

其中一些工作可以從地球上完成，但正如 Dimorphos 狡猾地證明的那樣，微小物體是遠端研究的困難目標。最好——儘管更困難——在試圖撞擊任何敵對小行星之前，先與它近距離接觸。事實上，這正是 ESA 最初的計劃，但在時間表延誤確保其偵察航天器僅在 DART 的戲劇性撞擊之後才到達。未來，微型動能撞擊器甚至可以與科學偵察任務一起傳送，旨在僅僅輕推目標小行星，以估計它們將如何響應更強大的偏轉衝擊。“在我們將人類的命運寄託於那次黃金射擊之前，我們必須去更好地描述它們，”德維克說。

只有在有害小行星在其撞擊地球日期之前多年被發現的情況下，此類先導任務才有可能實現。這為天文學家被忽視和資金不足的努力增加了令人毛骨悚然的緊迫性，以尋找我們太陽系中失蹤的一半或更多的城市殺手。雖然目前的設施和下一代維拉·C·魯賓天文臺能夠勝任這項任務，但考慮到似乎無法阻止的激增衛星巨型星座，它們可能無法維持太久，這些衛星巨型星座的反射陽光的成員在夜空中造成盲點。來自巨型星座的光汙染“是一個需要解決的巨大問題，”在馬薩諸塞州哈佛-史密森天體物理中心研究小行星動力學的費德里卡·斯波託說。“而且我認為我們沒有解決它。”

幸運的是，即將到來的空間望遠鏡 NASA 的近地天體測量儀將在巨型星座的汙染範圍之外執行。這個紅外天文臺將在未來幾年發射——有些人可能會說“恰逢其時”——它將觀察地球軌道的前後，窺探通常被太陽眩光隱藏的小行星。如果一切順利，它應該會找到 90% 的直徑 140 米及以上的近地天體。“然後我們可以真正確定我們是否面臨迫在眉睫的威脅，”米歇爾說。

儘管偏轉可能是世界反小行星專家團隊的首選方法，但正在研究更細緻的防禦措施。“我們希望工具箱中有更多工具，”裡夫金說。“我們不僅想要錘子，還想要螺絲刀。”

一些有希望的想法出奇的簡單。陽光中的光子會給小行星帶來少量動量，從而稍微改變它們的軌道。將小行星塗成白色以提高其反射率將產生雙倍於全黑小行星所經歷的光子推力的淨效應。如果有足夠的提前通知，一層新鮮的象牙色油漆可以安全地將一顆朝地球飛來的小行星驅逐到陰暗的深淵。另一個想法是將航天器停放在小行星周圍，並利用其引力緩慢地將岩石拉出地球軌道。但是，所謂的引力拖拉機航天器的駕駛必須非常精確，並且它僅適用於小型小行星。

取消末日

就目前而言，使用動能撞擊器是避免災難最簡單的選擇。它也相對便宜。DART 的總預算約為$3.2 億美元，“甚至不到一個足球場的成本，”米歇爾說。如果 DART 成功偏轉 Dimorphos，那麼一個可能的近期未來是，許多類似 DART 的任務保持待命狀態，每個任務都準備好在幾艘現成的商業航天器之一上發射，這是很容易設想的。

但“僅僅展示技術是不夠的，”米歇爾說。世界仍然需要建立一個系統，使整個地球儘可能協調一致地應對來襲小行星的威脅。哪個或哪些國家應該參與偏轉或摧毀嘗試？目前，儘管許多國家都參與了近地天體的搜尋，並參與了 DART 和 Hera，但美國在小行星偏轉技術方面處於領先地位。

哪些國家應該協助任何可能的撞擊區疏散？世界應該在何時以及如何決定，嘗試偏轉或摧毀小行星比僅僅讓它撞擊，然後協助受影響國家重建工作更冒險？聯合國和平利用外層空間事務廳的工作組以及每兩年一次的桌面演習（模擬潛在的小行星撞擊）正在認真但迄今為止收效甚微地努力回答這類重大問題。

人類距離擁有全面的小行星保護網路還有一段距離。但是，DART 的發射是行星防禦演變過程中的另一個關鍵里程碑，行星防禦曾經被認為是深奧的，甚至有點愚蠢的。“當我在 1990 年代讀研究生時，只有少數人對此感興趣，而其他所有人都將其視為一種古怪的領域，”裡夫金說。

但天體生物學也是如此——現在太空科學正沉迷於行星際甚至星際尋找外星生命。裡夫金說，由於車里雅賓斯克事件和其他與撞擊器的戲劇性近距離接觸，“行星防禦本身也經歷了真正的鉅變”。而且，對於地球數十億年曆史中的第一次，它的一些居民可能很快就不再對陰險的宇宙威脅無能為力了。

班尼斯特說：“這是我們可以實際量化並可能消除的一種自然災害。”“這是一個我們可以為之努力的驚人目標。我們無法對地震做到這一點。我們永遠無法對火山做到這一點。”

在任何人的有生之年，因小行星死亡的可能性都非常低。然而，科學家和工程師想要徹底消除這種威脅，僅僅是因為他們可以做到。“如果這能讓那些焦慮的人在試圖睡覺時少擔心一件事，我認為這是值得的，”裡夫金說。“這減少了一份存在的恐懼。”