投向小行星的“飛鏢”

李和昌

一顆直徑約13米的小行星有1/4166的概率在2022年5月6日撞向地球。不速之客2年之后造訪的消息很快登上了微博熱搜。對地球來說，任何一個不速之客的到來，都不能掉以輕心。未來如何抵御可能對地球造成較大撞擊威脅的小行星？多年來，各國科學家都在積極尋找方法。例如，2005年7月4日，美國國家航空航天局（NASA）“深度撞擊”號發射的撞擊艙成功撞擊“坦普爾1號”彗星，以研究該彗核的成分，同時間接嘗試防御小行星撞擊手段。

未雨綢繆

一切就從嘗試改道一顆小行星開始。那可不是什么普通的小石頭！這顆流星體直徑達160米，重約500萬噸，以1000千米/小時的速度向地球襲來，足以把像巴黎這樣的大都會從地圖上抹去。但請放心，它并不會對人類構成威脅：按目前的運行軌跡，它離地球最近時也還有1050萬千米。被正式列入NASA官方計劃的“雙小行星重定向測試計劃（DART，意為飛鏢）”事實上是一次演練，這個由NASA設計的探測器將于2021年執行任務。

這次全真測試有望在未來拯救全人類。當終結人類的流星體真的沖向地球時，此次試射能讓我們提前做好準備。因為此類災難場景可不是科幻電影，這一天終將到來，必須未雨綢繆，以免大難臨頭時措手不及，因為不知道能有多少時間來應對。更何況一直以來，小行星撞擊地球的威脅被嚴重低估，而如今計算分析的結果就擺在眼前，讓人不得不正視。毫無疑問，威脅的確存在。雖然追蹤危險小行星的太空監視系統二十多年前就已啟用，但這般大小的天體中只有不到一半受到監控，這更引起科學家的高度重視。此類小行星體積小，顏色暗，很難被發現，所以災難有可能在毫無預警的情況下出現，置人類于絕境。當然，地球自誕生起就習慣了這樣的“奇兵突襲”，想必能一如既往“絕境逢生”。但人類的命運就難說，等待我們的結局也許與恐龍相仿。6500萬年前，因為一塊直徑達1萬米的巨型隕石擊中現今墨西哥附近的區域，導致恐龍這一物種從地球上徹底消失。但與那些不幸的恐龍不同，人類不會束手待斃，在目前已知的全部自然災害一一地震、海嘯、颶風等之中，這是唯一一個人類有望預測到并規避的！地球望遠鏡無法覆蓋太空的所有區域，尤其是靠近太陽的地方。它們只能觀察到直徑大于100米的天體，并只有在晚上才能發揮作用。所以這些望遠鏡只能發現一半對地球構成潛在威脅的小行星。人類要想真正將命運掌握在自己手里，還需要數年的不懈努力。1969年7月20日下午4時17分42秒，當人類在月球上跨出第一步時，研究人員就已開始設想在火箭上搭載一枚原子彈，用來對付小行星。自那以后，科學家從未停止過暢想，積極尋找應對這一挑戰的其他方案。然而相關方案不是太冒險，就是費用高昂，甚至不切實際，于是均被無限期擱置。如今，NASA終于決定啟動DART計劃，該計劃在12年前由歐洲空間局（ESA）率先提出，但因為預算緊張而被束之高閣。

太空甩“飛鏢”

首個反小行星武器原型的原理極其簡單：向小行星發射一枚火箭，由撞擊使小行星改變方向。簡言之，NASA將拯救全人類的希望寄托在一局“宇宙桌球”上。該技術被稱為動能撞擊器，是目前最成熟的方案，適合應對最可能出現的、來自直徑不足數百米小行星的那類威脅。

這一致命武器究竟長什么樣？第一眼望去，它和科學家平時送往銀河系邊緣的不起眼探測器沒什么兩樣：鋁制外殼外加光學儀器和太陽能板。實際上，這一重達560千克的撞錘無須太多裝飾，它依靠的是動能和無與倫比的精準度。撞擊器先是需要在一年半的時間內飛越1000萬千米并達到6千米/秒的驚人速度（比沖鋒槍發射出的子彈還要快10倍），之后便會嘗試撞擊一顆直徑為160米的小行星Didymos B，將自身的一部分能量傳遞給后者。因為撞擊器的質量是其目標的850萬分之一，所以該行動猶如蚍蜉撼樹：按實際比例來看，就好比用一粒沙子去推動一顆桌球！但根據計算，這手“彈指神通”應該能發揮作用：只要行動足夠早，至少在撞擊前數年就啟動，開始輕微的改向會隨著時間積累發揮巨大作用。這也是DART任務所要實現的目標。

為此，天文學家篩選出了最佳目標：Didymos B，它是在1996年被發現的一對小行星中的一顆。其呢稱為Didymoon，因為它的行為猶如一顆衛星：始終圍繞與其相距1千多米、直徑為750米的小行星Didymos A運行。像這樣的多天體系統只占行星的15%，而科學家將它作為目標是為了方便進行操作評估。對偏轉的測算理應更快些：若對象是一顆衛星只需要幾天或幾個星期，而一顆尋常的小行星則需要好幾個月的時間。實際上，如果一切如預期般順利，撞擊會令這顆衛星圍繞Didymos A的轉速減少0.5毫米/秒，這將導致前者繞后者一圉的時間從11.92小時減少到11.83小時。屆時，地球和該衛星的距離最近，我們可以從地球觀察撞擊過程及其效果，通過全球各地的望遠鏡一起來評估。選擇該衛星的最大優勢在于該運行體系的軌跡幾乎不受影響，所以，這一操作絕對不會弄巧成導致原本與人類相安無事的小行星反過來撞擊地球。最主要的風險，也就是探測器錯過小行星。

同時間賽跑

貌似一錘定音的桌球初看輕而易舉，但事實上它需要一流的技術支持。首先，NASA打算利用DART測試全新一代的離子推進發動機，其功率要比前一代強3倍。此外科學家想方設法節省燃料，利用太陽能板為發動機提供必要的能量，因此，在保證發動機達到預期速度的同時也不增加發射的成本。這一招不可謂不冒險。

這還不是DART任務的主要挑戰，它的簡稱恰與英文的飛鏢一詞相同：任務是否成功取決于撞擊是否精準。然而，在太空里用探測器撞擊天體還是一件稀奇的事情。一般來說，探測器會平緩地進入軌道，該計劃中的探測器則恰好相反，它會像炮彈一樣橫空而至，相對速度高達21600千米/小時。2005年7月，科學家已成功用“深度撞擊”號探測器撞擊了“坦普爾1號”彗星，以分析撞擊彈射而出的彗星塵埃的成分。但是當時的目標比Didymoon大40倍，而且幾乎沒有因此改變軌道。簡言之，DART不僅要成功瞄準迄今為止從未嘗試過的最小天體，還得命中靶心，因為Didymoon和所有小行星一樣會自轉。如果撞擊器沒有精準命中小行星的共同質量中心就有可能進一步干擾其自轉，而不是使它偏離軌道。

這顆太空巨石離人類太遙遠，顏色太暗淡，我們在望遠鏡里只能看到一片低像素的模糊星團。而且科學家無法在地球上實時領航。撞擊器只能依靠它自身的高精度自動導航系統。不可否認，這就是該任務的主要挑戰。撞擊器的速度高達21600千米/小時，所以實際操作幾乎沒有任何退路。要等到撞擊前幾小時，Didymos B在相機上的成像質量才會超過1個像素。探測器要等到撞擊前90分鐘，才能嘗試將其瞄準線鎖定于Didymoon。與其相鄰并且體積大得多的Didymos A也為該任務增加了難度，因為探測器還要區分這兩個天體。這樣一來，它必須在撞擊前2分鐘調整彈道，這還不算，探測器還必須在撞擊前將這些高分辨率的圖像發送回地球，為研究人員展示撞擊表面的入射角，便于研究人員評估該任務是否取得預期效果。這是真正的挑戰，因為分辮率最高的最佳圖像會在撞擊前的最后幾秒鐘拍下，所以只剩下極短的時間供探測器發送數據。2022年年底就可知曉DART是否圓滿完成使命，人類是否能首次人工撞擊一顆小行星并杜絕其親密接觸地球的一切可能。

（責任編輯：曹偉 責任校對：白玉磊）