主動(dòng)防御，給地球加點(diǎn)“保險”-速訊

“雙小行星重定向測試”任務(wù)概念圖。資料圖片

小行星撞地球是小概率事件，但它給地球生物帶來(lái)的影響卻可能是毀滅性的——據猜測，恐龍的滅絕很可能就是由小行星撞地球而引發(fā)。此前，人們已經(jīng)能夠測算出小行星的軌道，可以通過(guò)望遠鏡努力找出那些可能給地球帶來(lái)威脅的“危險分子”?，F在，人類(lèi)保衛地球的能力再進(jìn)一步：北京時(shí)間2022年9月27日，美國“雙小行星重定向測試（DART）”任務(wù)在距離地球約1100萬(wàn)公里處，以約6.3千米/秒的速度成功擊中“狄迪莫斯（Didymos）”雙小行星系統中的子星“狄莫弗斯（Dimorphos）”，這標志著(zhù)人類(lèi)第一次行星防御任務(wù)完成了最關(guān)鍵、難度最高的撞擊動(dòng)作。

(資料圖)

小行星撞擊，來(lái)自太空的威脅

近地小行星是指軌道近日點(diǎn)距離在1.3Au（天文單位，等效日地平均距離，約1.496億千米）之內的小行星。近地小行星在環(huán)繞太陽(yáng)運行的過(guò)程中，受到木星等大行星引力牽引，存在撞擊地球的風(fēng)險。近地小行星撞擊是人類(lèi)社會(huì )面臨的共同威脅和長(cháng)期挑戰，一旦千米級尺寸的近地小行星撞擊地球，不僅會(huì )帶來(lái)巨大的撞擊災難，甚至還會(huì )引發(fā)氣候環(huán)境災變和物種滅絕等嚴重后果。

根據科學(xué)家考證，地球歷史上發(fā)生了22次不同規模的物種滅絕，至少10次與小行星撞擊地球相關(guān)。有科學(xué)家認為6500萬(wàn)年前，一顆直徑10千米的近地小行星撞擊北美墨西哥灣地區。巨大的撞擊能量，在海底形成一個(gè)直徑約180千米的隕石坑，大量海底物質(zhì)被拋射到空中。熾熱的撞擊濺射物引發(fā)了全球森林大火，燃燒的灰燼和濺射塵埃云進(jìn)入了平流層，遮擋了大部分太陽(yáng)光，全球溫度驟降，植物光合作用受到影響，引發(fā)了地球氣候環(huán)境災變，最終導致了包括恐龍在內，全球70%的物種滅絕。

這次撞擊導致統治地球長(cháng)達1.6億年的恐龍退出地球舞臺，是地球歷史上白堊紀結束和新生代開(kāi)始的分水嶺。也正是這次撞擊事件后，體型更小、消耗資源更少的哺乳動(dòng)物逐漸適應了惡劣的環(huán)境，逐步走向地球舞臺中央，發(fā)展出今天高度發(fā)達的人類(lèi)文明。

即使小尺寸近地小行星撞擊地球也可能引發(fā)顯著(zhù)危害—2013年，一顆小行星“襲擊”了俄羅斯車(chē)里雅賓斯克地區，“肇事”小行星的直徑僅約18米，但仍然導致了接近1500人受傷、3000棟房屋受損。像這樣的近地小行星，在太陽(yáng)系中有數百萬(wàn)顆，超過(guò)99%我們尚未發(fā)現。

由此可見(jiàn)，開(kāi)展行星防御是保衛人類(lèi)自身、續存人類(lèi)文明、保衛人民生命財產(chǎn)安全的必然要求，也是外太空人類(lèi)命運共同體的重要體現。

開(kāi)啟行星防御時(shí)代

如何化解小行星撞地球的危險？這是全球天文學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)?！半p小行星重定向測試”任務(wù)無(wú)疑是近年來(lái)最具挑戰性，也最成功的嘗試。這一任務(wù)由美國行星防御協(xié)調辦公室（PDOC）立項支持，約翰霍普金斯大學(xué)應用物理（APL）實(shí)驗室負責研制，總投資約3.9億美元，其撞擊器發(fā)射重量約為610公斤，于北京時(shí)間2021年12月24日搭乘獵鷹9號運載火箭發(fā)射。

它的目標是通過(guò)在深空環(huán)境中實(shí)施動(dòng)能撞擊小行星試驗，測試動(dòng)能撞擊防御小行星的技術(shù)，并通過(guò)評估撞擊后小行星軌道偏轉效果掌握小行星的軌道偏轉規律，從而為未來(lái)應對近地小行星撞擊風(fēng)險任務(wù)設計提供依據。這是人類(lèi)第一個(gè)行星防御驗證任務(wù)，標志著(zhù)人類(lèi)開(kāi)啟行星防御時(shí)代，象征意義重大。

難點(diǎn)有很多?！半p小行星重定向測試”任務(wù)設計最大的挑戰之一就是如何準確評估撞擊后小行星的軌道偏轉效果。要知道，小行星主要由巖石和金屬等材料構成，一般直徑百米級的近地小行星的重量可達百萬(wàn)噸甚至千萬(wàn)噸，而人造撞擊器的重量?jì)H有數百公斤至數千公斤，兩者重量相差6~7個(gè)數量級，盡管撞擊速度接近10千米每秒，但撞擊后對小行星的軌道速度改變量可能甚至不足1毫米/秒（mm/s）——以人類(lèi)現有天文觀(guān)測能力，還難以在千萬(wàn)公里之外的超遠距離，分辨出毫米/秒量級的軌道速度改變量。因此如何準確評估撞擊后近地小行星的軌道偏轉效果進(jìn)而認識小行星的軌道偏轉規律，是動(dòng)能撞擊試驗的關(guān)鍵難題。

“雙小行星重定向測試”任務(wù)通過(guò)選擇試驗對象為“狄迪莫斯”雙小行星系統巧妙地解決了撞擊偏轉效果評估難題。雙小行星系統是太陽(yáng)系中廣泛存在的一種小行星構型，在直徑超過(guò)300米的小行星中大約15%是雙小行星構型或者多小行星構型。在雙小行星系統中，子星在主星引力作用下，運行在環(huán)繞主星的軌道上。毫米/秒量級的撞擊速度改變量雖然不能顯著(zhù)改變小行星環(huán)繞太陽(yáng)運行的軌道，但足以改變子星相對主星的繞轉軌道，并導致子星相對主星的繞轉周期改變。而子星相對主星的周期性運動(dòng)會(huì )改變其反射的太陽(yáng)光通量，利用望遠鏡對雙小行星系統開(kāi)展持續觀(guān)測，就可以測量雙小行星系統亮度的周期性變化，進(jìn)而精確評估出撞擊后雙小行星系統的周期變化量。

“狄迪莫斯”雙小行星系統中包括兩顆小行星，主星“狄迪莫斯”直徑約780米，子星“狄莫弗斯”直徑約160米，兩者距離約1.2千米，共同運行在環(huán)繞太陽(yáng)運行的軌道上。子星“狄莫弗斯”像一臺鐘表一樣，約每11.9小時(shí)環(huán)繞直徑約780米的主星運行一圈?！半p小行星重定向測試”任務(wù)通過(guò)“迎頭撞擊”改變子星相對主星的繞轉軌道，預期使其繞轉周期縮短約10分鐘。

為了評估撞擊效果，詹姆斯·韋布太空望遠鏡、哈勃太空望遠鏡、“露西”小行星探測器和“金石”雷達、ATLAS、甚大望遠鏡等太空和地面望遠鏡在撞擊前后進(jìn)行了持續觀(guān)測監測，并進(jìn)行全球直播。

望遠鏡獲取的大量寶貴的視頻和圖像資料表明，“雙小行星重定向測試”任務(wù)撞擊器成功擊中了目標，撞擊試驗產(chǎn)生了大量高速濺射物，雙小行星系統的亮度瞬間增加10倍以上，在撞擊后小行星形成了一條類(lèi)似彗星“彗尾”的長(cháng)達上萬(wàn)千米的濺射物“尾巴”，表明撞擊試驗取得了高度成功，產(chǎn)生了較好的試驗效果。持續跟蹤監測表明，撞擊試驗后，雙小行星系統的繞轉軌道周期從11小時(shí)55分縮短至11小時(shí)23分，顯著(zhù)超出了預期目標。

除了開(kāi)展行星防御試驗，“雙小行星重定向測試”任務(wù)還有其他收獲——突破了超遠程高速撞擊制導控制、非合作目標高精度自主導航、暗弱小天體探測識別等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展了先進(jìn)離子推進(jìn)、卷軸式太陽(yáng)能帆板等大量新技術(shù)試驗，具有極強的技術(shù)牽引性和帶動(dòng)性，將推動(dòng)深空探測、空間操作等領(lǐng)域的可持續發(fā)展。

例如，“雙小行星重定向測試”任務(wù)首次開(kāi)展了新一代離子推進(jìn)系統在軌試驗。離子推進(jìn)系統具有極高的效率，相比傳統化學(xué)推進(jìn)高出一個(gè)數量級，被認為是深空探測領(lǐng)域最有前途的推進(jìn)方式之一。再比如，“雙小行星重定向測試”任務(wù)還首次在深空環(huán)境中開(kāi)展了柔性卷軸式太陽(yáng)能帆板試驗，可為電推進(jìn)系統提供充足的能源。這項技術(shù)驗證的成功將提升小衛星的能源供應能力，極大地提升小衛星探索深空的能力。此外，“雙小行星重定向測試”任務(wù)還驗證了聚光太陽(yáng)能電池陣列，比傳統太陽(yáng)能電池陣列效率提升3倍，未來(lái)或可使得木星等外太陽(yáng)系行星探測不再需要核電源供電，從而降低任務(wù)成本等。

撞擊成功，人類(lèi)并非可以高枕無(wú)憂(yōu)

“雙小行星重定向測試”任務(wù)成功實(shí)施動(dòng)能撞擊小行星試驗，開(kāi)啟了人類(lèi)行星防御征程的第一步，但距離人類(lèi)能夠成功防御小行星尚有很大差距。

首先，“雙小行星重定向測試”任務(wù)是人類(lèi)精心設計的一次針對已知目標的試驗?！暗业夏埂彪p小行星系統此前已經(jīng)開(kāi)展了多年觀(guān)測，其軌道、大小、自轉等數據,人類(lèi)已經(jīng)基本掌握。而行星防御真正的場(chǎng)景很可能是面對“突襲”——一顆新發(fā)現的、即將撞擊地球的小行星。在這種場(chǎng)景下，小行星的軌道等特性可能并不完全確知，能否防御成功仍然需要打個(gè)問(wèn)號。

其次，“雙小行星重定向測試”任務(wù)撞擊對象“狄莫弗斯”直徑僅為160米，其主星直徑為780米，目標比較大，那么，對于更小尺寸的小行星能否撞擊成功尚需要驗證。要知道，小行星尺寸越小，其亮度越暗弱，撞擊難度也越高。但在短時(shí)間內，對地球威脅更大的是大量直徑20米~50米級近地小行星，其撞擊地球頻率更高，能否成功撞擊還需要進(jìn)一步驗證。

再次，“雙小行星重定向測試”任務(wù)并沒(méi)有直接改變小行星相對地球的位置關(guān)系，而實(shí)際行星防御場(chǎng)景需要偏轉小行星相對地球的軌道，讓小行星距離地球更遠?！半p小行星重定向測試”采用的偏轉子星相對主星繞轉軌道的間接方式，效果與真實(shí)防御場(chǎng)景仍然有較大差別。

最后，以人類(lèi)目前科技水平，在10年以及更短的預警時(shí)間內，動(dòng)能撞擊技術(shù)僅能有效偏轉直徑幾十米級近地小行星的軌道，對直徑百米級近地小行星，動(dòng)能撞擊技術(shù)仍然難以有效偏轉其軌道。

保衛地球，仍然任重道遠。人類(lèi)仍然需要創(chuàng )新發(fā)展新型防御手段，對持續牽引等防御手段進(jìn)行綜合驗證。

在保衛地球的征程中，中國將作出更多貢獻。2021年，中國國家航天局局長(cháng)張克儉在中國航天日上表示：“站在新的歷史起點(diǎn)，中國航天將論證實(shí)施探月工程四期、行星探測工程、建設國際月球科研站和近地小行星防御系統，拉開(kāi)新時(shí)代探索九天的新序章?！?022年，中國國家航天局副局長(cháng)吳艷華介紹，中國將著(zhù)手構建近地小行星防御系統，并計劃在2025年或者2026年實(shí)施一次動(dòng)能撞擊防御小行星實(shí)驗。這意味著(zhù)中國近地小行星防御系統已經(jīng)進(jìn)入實(shí)操階段。

相信未來(lái)，中國一定可以在行星防御領(lǐng)域有所作為，為構建人類(lèi)命運共同體、保衛地球生命安全貢獻中國智慧、中國方案和中國力量。

（作者：李明濤，系中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員）

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