人類首次改變了天體軌道，為行星防御做準備

導讀：地球并非在絕對靜止的真空中孤獨航行。事實上，我們的星球每一天都在承受著約數十噸宇宙塵埃與微小顆粒的密集轟擊。雖然大氣層這道天然屏障為我們擋住了絕大多數細碎的威脅，但那些直徑超過 140 米、足以摧毀整座城市乃至造成區域性災難的近地天體（NEO），絕大多數仍游離于人類的監測網之外。

長期以來，面對潛在的小行星撞擊，人類的劇本似乎只有“祈禱”或“逃離”。然而，2022年9月NASA雙小行星重定向測試（DART）的驚天一撞，徹底改寫了這一敘事。這不僅是一次軌道力學的實驗，更是人類星際防御能力的里程碑。

新研究揭示，當NASA的DART航天器于2022年9月故意撞擊孿小星（Dimorphos）時，它不僅僅改變了孿小星圍繞其較大伴侶孿大星（Didymos）的運動；這次撞擊還改變了這兩顆小行星圍繞太陽的軌道。通過引力連接在一起，孿達星和孿小星圍繞一個共同的質量中心相互環繞，這種配置被稱為雙星系統，因此對一顆小行星的改變會影響另一顆。

根據周五發表在《科學進展》雜志上的一項研究，對這對小行星運動的觀察顯示，在DART航天器撞擊孿小星后，它們圍繞太陽的770天軌道周期改變了幾分之一秒。這一變化標志著人類制造的物體首次可測量地改變了天體圍繞太陽的路徑。

哈勃空間望遠鏡在NASA的DART航天器撞擊孿小星幾天后，觀察到從孿達星-孿小星系統噴射出的兩條塵埃尾巴。

圖片來源：NASA, ESA, Jian-Yang Li (PSI), Joe Depasquale (STScI)）

“這是一個微小的軌道變化，但如果時間足夠長，即使是微小的變化也能成長為顯著的偏轉，”華盛頓NASA總部太陽系小天體首席科學家Thomas Statler說。“團隊的驚人精確測量再次驗證了動能撞擊作為防御地球免受小行星危害的技術，并展示了如何通過僅撞擊雙小行星對中的一員來偏轉雙小行星。”

強烈的撞擊

當DART撞擊孿小星時，這次撞擊將大量的巖石碎片炸向太空，改變了這個寬170米的小行星形狀。因為碎片攜帶著自身的動量遠離小行星，它給了孿小星一個爆炸性的推力，科學家稱之為動量增強因子。噴射出的碎片越多，沖擊力越大。根據新研究，DART撞擊的動量增強因子約為2，這意味著碎片損失使航天器本身的沖擊力翻倍。

NASA的雙小行星重定向測試任務改變了孿小星繞太陽運行的軌道

圖源：NASA/JPL

早期的研究顯示，這顆較小小行星圍繞近805米寬的孿大星的12小時軌道周期縮短了33分鐘。新研究顯示，這次撞擊從雙星系統中噴射出如此多的物質，以至于它還將雙星圍繞太陽的軌道周期改變了0.15秒。

“雙星系統軌道速度的變化約為每秒11.7微米，或每小時1.7英寸，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究首席作者Rahil Makadia說。“隨著時間推移，這種小行星運動的微小變化可能決定一個危險物體是撞擊還是錯過我們的星球。”

雖然孿小星并沒有與地球碰撞的軌道，而且DART任務不可能將其置于碰撞軌道上，但軌道速度的變化強調了航天器，在此背景下稱為動能撞擊器，如果未來發現潛在危險小行星處于碰撞路徑上，可能發揮的作用。關鍵是提前足夠遠地探測近地物體，以發送動能撞擊器。

為此，NASA正在建造近地物體（NEO）勘測器任務。由加州南部NASA噴氣推進實驗室管理的這個下一代太空勘測望遠鏡是第一個為行星防御而建的任務。該任務將尋找一些最難發現的近地物體，如不反射太多可見光的黑暗小行星和彗星。

他們是如何做到的?

為了證明DART對兩顆小行星，不僅僅是較小的孿小星，產生了可檢測的影響，研究人員需要以極高的精度測量孿大星圍繞太陽的軌道。因此，除了對小行星進行雷達和其他地面觀測外，他們還跟蹤了恒星掩星，這種現象發生在小行星正好從一顆恒星前方經過時，導致光點在幾分之一秒內閃爍消失。這種技術提供了小行星速度、形狀和位置的極精確測量。

DART撞擊后，孿小星出現碎片尾流

圖源：NASA

測量恒星掩星具有挑戰性：天文學家必須在正確的時間和地點，使用有時相隔數英里的多個觀測站，來跟蹤小行星在特定恒星前方預測的路徑。該團隊依靠全球志愿天文學家，他們在2022年10月至2025年3月間記錄了22次恒星掩星。

“當與多年的現有地面觀測相結合時，這些恒星掩星觀測成為幫助我們計算DART如何改變孿小星軌道的關鍵，”研究共同領導者、JPL高級研究科學家Steve Chesley說。“這項工作高度依賴天氣，并且往往需要前往偏遠地區，沒有成功的保證。沒有全球數十名志愿掩星觀測者的奉獻，這項結果是不可能實現的。”

研究孿大星運動的變化還幫助研究人員計算了兩顆小行星的密度。孿小星的密度比之前認為的略低，這支持了它是由快速旋轉的孿大星拋出的巖石碎片形成的理論。這些松散的物質最終聚集在一起形成了孿小星，一個“碎石堆”小行星。

參考

[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