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[科技新闻] 撞小行星,为恐龙复仇!人类启动首次行星防御演习

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发表于 2021-11-25 14:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

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北京时间2021年11月24日14:21,NASA的双小行星重定向测试任务(DART)搭乘SpaceX猎鹰9号火箭,从美国加州范登堡天军基地发射升空,前往探访两颗近地小行星。
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DART探测器发射升空 | NASA
只不过,不同于过去其他的近地小行星探测器,DART探测器有着特殊的使命:它的主要目标不是探索小行星本身,而是试验如何“赶走”小行星——这是人类首个小行星防御探测器
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DART任务海报 |NASA
地球,笼罩在小行星的威胁之下


我们赖以生存的港湾地球,宁静祥和,又暗潮汹涌。除了三体人的窥伺,还随时可能面临小行星和彗星从天而降的袭击。事实上,地球自诞生以来,就没少挨过撞。
电影《你的名字。》里,提阿马特彗星碎片在空中解体和下落的场景
尤其是在太阳系暴力火拼的早期,大型撞击事件非常频繁。我们再熟悉不过的月球,就可能诞生于大约45亿年前的一次剧烈撞击:一颗火星大小的天体倾斜撞上了尚未完全长成的“雏形”地球,撞击产生的碎屑重新聚集吸积起来,形成了如今的月球 [1, 2]。幸运的是,这次撞击还没有大到足以粉碎地球,仅仅撞碎了地球外层的一部分。
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大撞击假说(Giant Impact Hypothesis)中构建的月球起源图景 | NASA
不过别担心,随着太阳系趋于平静,大行星们都找到了自己稳定的轨道,毁天灭地的大型撞击事件也就渐渐绝迹了。或许正是因为有这样相对“安宁”的环境,才有了地球上生命诞生繁衍的条件,才有了如今生机勃勃的地球。
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但个头在10千米级别的小行星依然会袭击地球,而且足以造成全球性的物种大灭绝。上一次这样的大撞击可能发生于约6500万年前,那时人类还没有诞生,但恐龙可能深受其害
据推测,那颗巨大的小行星(也可能是彗星)在墨西哥尤卡坦半岛撞出了一个直径超过200千米的陨石坑,并且剧烈影响了当时整个地球的大气和生态环境,进而引起了包括大部分恐龙在内的众多动植物的灭绝——这就是地球上第五次生物大灭绝事件,史称“白垩纪末大灭绝”
“来不及许愿了,快跑!” ▼
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小行星撞击可能是恐龙灭绝的罪魁祸首 | LPI [3]
只是,这么大个头的小行星数目不多,撞上地球的概率也就非常低:直径10千米级的小行星撞地球平均每1-2亿年才会发生一次;直径1千米级别的小行星撞击平均每50万年才会发生一次。
个头越小的小行星,虽然对地球的危害越小,但数目也越多,撞上地球的频率也就越高,同时,地基望远镜观测到的难度也越大
随着巡天观测技术的提升,天文学家已经监测到越来越多小行星的踪迹,尤其是那些轨道会和地球接近的“近地小行星”(NEOs)。
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截至2018年,已有近2万颗近地小行星被发现,其中近一半直径在140米以上。需要注意的是,动图中小行星的大小没有按比例,实际的小行星相比于行星,大小几乎难以识别,因此它们在空旷太空中的实际分布其实很稀疏 | 改编自NASA/JPL [4]
直径140米以上,轨道与地球轨道相交的近地小行星,与人类的存亡尤为息息相关:这个尺寸的小行星完全可能毁灭一个城市,引起大量人员伤亡——而这个尺寸的小行星,平均每2万年光顾地球一次,概率上又无法忽略不计。
直径20多米的小行星,虽然大多数情况下武力值不算强,但万一不巧撞上人口密集的大城市,也能造成不小的危害。也就不到10年前的2013年,俄罗斯的车里雅宾斯克(Chelyabinsk)就发生过这样的事故:一颗直径近20米小行星来袭,空爆和冲击波造成了一定的经济损失和1400多人受伤,但所幸无人死亡。
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小行星空爆和冲击波(上)震碎了车里雅宾斯克剧院玻璃(下) | 维基
更危险的是,这样大小的小行星,平均每100年就会光顾地球一次——如果不巧撞在了大城市…… 那我们或者我们的子孙,有生之年就可能会遇到。
总之,对地球人来说,这份来自小行星的威胁并不是杞人忧天,而是实实在在可能发生的。
只是千百年来,人类能做的只有被动地希望这样的事不要发生。
而随着人类深空探测技术的发展,是时候拿回主动权了。
DART探测器,就是开始。
反击吧,地球人!
倒也不是说地球到了生死存亡的时刻,一颗大个头的小行星马上就要撞过来了……并没有并没有。事实上,目前的小行星观测数据显示,至少接下来一百年里,地球都挺安全的
但这喘息的间隙,恰恰是人类努力发展科技树的好时机。
如果将来有一天,预知一颗直径几十甚至一百多米的小行星真的快要撞上地球了,人类要如何抵御这颗小行星,要如何自救?现在,我们还有足够长的时间,来为应对这一天积累实力,做好准备。
想要保护地球不被小行星撞伤,最直接的思路有两种:一是改变小行星的轨道,例如把小行星撞歪、推动、拖走;二是直接摧毁小行星,例如用核弹把小行星炸毁。
DART探测器打算测试的,就是目前的技术水平下最容易实现的一种思路:通过自杀式撞击,偏转小行星的运行轨迹
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NASA/Johns Hopkins APL [5]
正如探测器的缩写和任务徽章上的“飞镖”(dart)一般,DART探测器将会以最悲壮的方式结束自己的生命:似利箭,迎头相撞,一往无前。
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DART探测器的任务徽章 | NASA/Johns Hopkins APL [5]
不过技术上来说,撞上小行星的难度不大。毕竟,人类已经有过两次成功撞击小行星/彗星的经验了
一次是2005年,深度撞击号探测器(Deep Impact)释放撞击器撞了坦普尔1号彗星的彗核;
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深度撞击号撞击彗星坦普尔1号的过程 | 维基
另一次是2019年,隼鸟2号探测器(Hayabusa2)释放撞击器在小行星龙宫上撞出了一个坑。
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隼鸟2号投下撞击器的过程 | JAXA
难点在于,探测器和小行星的质量差距如此悬殊,“蚍蜉”撞“大树”,要如何撞才能达到“四两拨千斤”的效果,真的让小行星发生“看得见”的轨道变化呢?
被选中的小行星


答案是,选择一颗合适的小行星
选一颗离地球近一些、易于抵达的小行星自不必说,更重要的是,小行星个头不能太大,不然撞完后小行星“纹丝不动”,可就尴尬了。
DART任务选中的,是一颗直径约160米,名叫Dimorphos的近地小行星。然而,对质量仅550千克(撞击时)、展开太阳能板全长也不足20米的DART探测器来说,这么大的小行星依然是个庞然大物。
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DART探测器和小行星Dimorphos的大小对比 | 改编自NASA/Johns Hopkins APL [5]
但巧妙的是,这颗即将被撞的小行星不是单枪匹马,它还环绕着一另颗名叫Didymos、直径约780米的小行星转动,两颗相距1.2千米的小行星组成了一个双星系统,共同环绕太阳公转。
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2003年11月23、24和26日,阿雷西博天文台的S波段雷达对主星Didymos进行的14次雷达成像,可以清楚看到主星旁的伴星Dimorphos | NASA
两颗小行星的命名也来自它们的“双星”属性:主星Didymos是希腊语中“孪生”(twin)的意思;伴星(卫星)Dimorphos,则是希腊语中“有两种形态”(having two forms)的意思。
观察一颗小行星环绕太阳的微小轨道变化,其实非常困难。双小行星系统Didymos和Dimorphos是阿莫尔型近地小行星,飞行轨道始终在地球轨道之外,每2.11年才能环绕太阳一圈。
但观察一个双星系统中小行星的轨道微小变化就容易得多——这个系统中伴星的公转周期很短,仅有约12个小时,在此基础上发生的微小的轨道变化相对来说就容易发现得多
据目前的推算,DART探测器以6千米/秒的速度迎头撞向Dimorphos,可以把这颗小行星环绕主星一圈的周期缩短上好几分钟,已经足够观测到了。
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DART探测器撞击小行星之后可能带来的变化 | 改编自NASA/Johns Hopkins APL [5]
等等,这个撞慢了多久,缩短了几分钟周期,不是可以准确算出来么?这题我会啊,初中物理嘛!
你以为的撞小行星 ▼
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动量守恒mv = (M+m)△v | 参考文献 [6]
并不是,因为小行星既不是质点,也不是刚体。
简单来说,在受到超高速撞击的情况下,小行星自身的密度、强度、孔隙度等物理性质都会大大影响撞击的结果。
换言之,虽然天文学家已经针对多种可能的情况做了计算模拟,但实际撞完会是啥样还是要靠后续观测,现在谁也无法预判
实际的撞小行星 ▼
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那么新的问题来了:如何知道撞后会是啥样?
地基望远镜:终于轮到我出场了


在实施撞击的10天前,DART探测器会先分离出一颗立方星LICIACube。
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DART探测器分离立方星LICIACube | NASA/Johns Hopkins APL [5]
LICIACube可以用自己的推进系统调整轨道,在撞击发生的大约3分钟后飞掠小行星Dimorphos,用自己携带的相机大致确认撞击情况,例如撞击是否成功开展,撞击后是否形成撞击坑和溅射物等等。
但小行星更准确的轨道变化,还要靠地基天文望远镜来完成。
DART探测器计划在2022年9月26日到10月1日之间撞上小行星Dimorphos,之所以选择这个时间,是因为这个双小行星系统会在10月份近距离飞掠地球——至少在这个公转周里,这是两颗小行星距地球最近的时候,可以近到1100万公里。下一次最近飞掠,就要到2024年了。
借助这个天然的近距离观测机会,地球上的天文望远镜有机会更清楚地观察这两颗小行星。伴星飞过主星时,会周期性地遮挡住一部分主星的反射光,因此地基天文望远镜可以观测到双星系统的亮度变化,通过反复观测,就可以确认撞击发生之后伴星Dimorphos环绕主星的周期改变了多少。
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通过小行星互掩/凌产生的光变曲线,观测小行星的周期 | NASA/Johns Hopkins APL [5]
届时,世界各地的多个天文台都会参与这场观测盛宴,例如美国的罗威尔天文台、智利的拉斯坎布雷斯天文台、新墨西哥的马格达莱纳山脊天文台等等。
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罗威尔天文台的罗威尔发现望远镜 | 罗威尔天文台
用地球上的望远镜,穷尽极限观测一颗被人类航天科技改变了轨道的遥远小行星,想必是个令天文学家激动不已的时刻。
炮灰?NO,是新技术的试验场!
严格来说,DART探测器仅仅携带了一件探测仪器,那就是光学导航相机DRACO,毕竟,它的主要使命是撞击,撞完就粉身碎骨了。
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DART探测器的光学导航相机DRACO位置 | NASA/Johns Hopkins APL[8]
然而,DART探测器不止于此,它还会在殒灭之前“发光发热”。虽然没有复杂的科学探测使命,但DART探测器携带了多种新仪器,为诸多新技术开辟了试验场[8]。
DART探测器的各种仪器位置 | NASA/Johns Hopkins APL
新型离子推进系统


DART探测器携带了两套推进系统:使用肼燃料的主推进系统用于探测器的轨道机动和姿态控制;使用氙气的离子发动机,则用于验证NASA的新型离子推进系统NEXT-C在太空中的使用情况。
相比于过去在深空1号、黎明号上使用的离子发动机,NEXT-C系统比冲更高,性能更优越,可以让将来的深空探测器携带更少的燃料飞得更远。
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DART探测器的NEXT-C离子推进系统 | NASA/Johns Hopkins APL [8]
卷轴式太阳能板框架
为了更大限度压缩发射体积和质量,DART探测器采用了卷轴式的太阳能板框架ROSA,发射后在太空中徐徐打开。
相比于传统的折叠式太阳能板,ROSA更为轻便灵活。
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卷轴式太阳能板ROSA打开示意 | NASA/Johns Hopkins APL [8]
2017年,该技术已经在国际空间站测试成功。
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国际空间站测试中的ROSA太阳能板 | NASA
高转化率的太阳能电池板
DART探测器的太阳能电池板上,有一小部分没有使用常规电池板,而是安装了新型太阳能电池板用于技术验证。
这些新型太阳能电池板,可以比目前使用的常规太阳能电池板多产生3倍的能量,大大提高了太阳能利用效率。
如果该技术广泛投入使用,将来去往木星甚至更远的外太阳系探测器也有望以更轻小的太阳能电池板产生更充足的太阳能,而不必使用昂贵的核电池供电。
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DART探测器的太阳能电池板上,安装了一小块高转化率的太阳能电池板 | NASA/Johns Hopkins APL [8]
智能自主导航
事实上,直到撞击发生的一个小时前,目标小行星Dimorphos在DART探测器的光学导航相机中还只是1个像素的小点。
为了准确找到并成功撞上小行星,DART探测器使用了一种智能自主导航系统SMART Nav,该系统将在撞击器前4小时启动,持续把探测器拍摄的照片反馈给导航算法,指导探测器自主完成定向、数据传输和撞击
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DART探测器的智能自主导航系统SMART Nav示意 | NASA/Johns Hopkins APL [8]
高效通讯的高增益天线
DART探测器没有使用传统的“大锅”作为高增益天线,而是尝试使用一种径向线缝阵列式天线(RLSA)来收发数据。
这种“新颖”的技术成本更低、传输效率更高,虽然已经存在了几十年,但之前并未用于过深空探测器的通讯。
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DART探测器上的RLSA天线 | NASA/Johns Hopkins APL [8]
验证这些新技术,虽然不会为DART任务本身带来什么益处,却可以造福之后的众多深空探测器。
赫拉号:前赴后继
然而,想要深入了解DART探测器的撞击成果,对DART探测器撞击后的小行星表面和内部进行详细探测,地基天文望远镜是做不到的。毕竟即使是距离地球最近的时候,两颗小行星在地基望远镜里也只是几个像素的小亮点而已。
因此,DART探测器之后还需要另一艘探测器,再度前往小行星附近开展新一轮近距离探测——这个继任者就是欧空局的赫拉号
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赫拉号探测器的艺术想象 | ESA [7]
赫拉号计划于2024年发射,2026年抵达双星系统,对主星Didymos和伴星Dimorphos展开全方位的深入探测。
届时,这对小行星将成为继丝川、龙宫、贝努之后人类最了解的近地小行星,也将成为首对被人类探测器两度近距离探测过的小行星。
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赫拉号目前的任务规划,将来可能会有各种调整 | ESA [7]
行星防御,是一个庞大的工程,DART探测器仅仅是其中一小步。但好在,人类还有足够的时间,只要我们不停下脚步。
数百年后,如果,如果真的遇到小行星来袭、可能带来危害的那一天,
希望我们人类已经做好了准备。
参考文献
[1] Hartmann, W. K., & Davis, D. R. (1975). Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504-515.
[2] Canup, R. M., & Asphaug, E. (2001). Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation. Nature, 412(6848), 708.
[3] https://www.lpi.usra.edu/science/KTcartoons/
[4] https://www.nasa.gov/feature/jpl/twenty-years-of-planetary-defense
[5] https://dart.jhuapl.edu/Gallery/
[6] Rivkin, A. S., Chabot, N. L., Stickle, A. M., Thomas, C. A., Richardson, D. C., Barnouin, O., ... & Hirabayashi, M. (2021). The Double Asteroid Redirection Test (DART): Planetary Defense Investigations and Requirements. The Planetary Science Journal, 2(5), 173.
[7] https://www.heramission.space/mission
[8] https://dart.jhuapl.edu/Mission/Impactor-Spacecraft.php
[9] https://dart.jhuapl.edu/
作者:haibaraemily
编辑:Steed
发表于 2021-11-26 14:54 | 显示全部楼层
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