宇宙撞击事件中不确定的β

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尽管破坏性很大，但宇宙中的撞击事件能告诉我们许多信息。在过去的几十年里，大多数撞击器的任务都是为了暴露撞击目标物的成分。但去年美国航天局的“双小行星重定向测试”(DART)任务却带着一个不同的目的，那就是前往编号65803的小行星——孪大星（Didymos）的伴星孪小星（Dimorphos），并将其挤出轨道。

美国航天局这样做并不是因为这颗双子星对我们构成威胁。这是一次测试，造成的轨道变化不会将小行星推到通向地球的危险轨道上——孪小星不会离开它绕转孪大星的轨道，这对小天体将继续沿着它们目前围绕太阳的轨道运转。

相反，科学家们希望DART能告诉我们，撞击小行星是否真的会改变它的运动，这是我们必须掌握的知识，以防某一天我们需要将一颗小行星推离地球，以免遭受灭顶之灾。




双小行星重定向测试DART任务示意图。版权／NASA

/ 别抬头

行星防御小行星的撞击可以归结为两项任务：发现威胁和消除威胁。负责前者的是国际天文学联合会的小行星中心(MPC)和喷气推进实验室的近地天体研究中心(CNEOS)。MPC是国际公认的包括近地天体在内的小天体位置测量数据资料中心。MPC汇总的数据来自世界各地的天文台站，包括业余天文学家的宝贵贡献。CNEOS则将MPC数据输入其最近更新的“哨兵-II”（Sentry-II）撞击监测系统，该系统能够对潜在危险天体的轨道进行持续的长期分析。

到目前为止，CNEOS的结果还是令人满意的。在未来一百年内，基本上可以排除已知的天体撞击地球的危险。即使是贝努101955（101955 Bennu），这个最有可能撞击地球的小行星之一，在接下来的三百年里，与我们发生碰撞的概率也只有1800分之一。

但这并不意味着我们可以安稳地袖手旁观。仍然有一些未知的天体飞过太阳系，可能在任何时候对地球构成突发威胁。在撰写本文时，观测者已经发现了28539颗近地小行星。其中，10030个看起来至少有140米(460英尺)宽，881个被认为超过1千米宽。如果这种大小的天体撞击地球，将会造成从重大区域破坏到全球灭绝不等的影响。要衡量“重大区域破坏”意味着什么，可以考虑毁灭整个美国的破坏程度。

据美国航天局称，只有大约40%的大于140米的小行星被发现。更让不确定性增加的是，唯一适合这项任务的仪器——NEOWISE，一架陈旧的、部分损坏的、被重新征用的空间红外望远镜，仅仅能准确描述这其中大约2000个天体的特征。亚利桑那大学的艾米·美因茨（AmyMainzer）是NEOWISE的项目负责人，同时也是专门打造的下一代设备——NEO勘测器的负责人。后者计划于2026年发射。她说，NEO勘测器将能够大幅提升我们对近地天体(NEO)的了解；在它的工作寿命内，这架空间望远镜可能会在我们现有的列表上增加数十万天体。

我们暂时还不知道在不久的将来，这其中是否会有天体朝向地球飞来。但如果有的话，NEO勘测器的红外数据应该能让科学家们准确地估算出它的大小和可能的形状，并结合可见光观测数据，得出该物体的反照率以及关于其成分的线索。对于任何可能发生的小行星与地球的相会，提前掌握这些知识对行星防御而言至关重要。美因茨说：“我们由衷的希望能够尝试给大家预留出时间来，因为这是这个行业最好的武器。”

但时间并不是人类唯一需要的武器。如果我们没有办法消除威胁，那么寻找和描述威胁就没有任何意义了。这就是为什么DART正在撞击孪小星的路途中——这样科学家就可以测试缓解措施，以防出现不得不使用它们的时刻。

/ 冲向孪大星

自2021年11月24日发射以来，DART一直在太空中朝向孪大星系统快速前行。孪大星和孪小星分别约780米和160米宽。它们绕太阳公转一周需要770天，公转距离从1.0到2.3个天文单位（a.u.）不等，彼此之间的绕转距离约为1千米。两者将在2022年10月4日“近距离”接近地球，距离为1070万千米，几乎是月地距离的30倍。

在9月26日到10月1日之间的某个时候，就在这颗小行星的近地点之前，这个重达550千克的探测器将以每秒6.7千米(15000英里/小时)的速度冲向孪小星。当小卫星以11.92小时的轨道周期从孪大星的背面绕过来时，DART将与它迎面相撞。（译者注：2022年9月27日，DART完成了自己的使命，成功撞击孪小星。）





届时将有两名“证人”见证DART这一人造宇宙事件：一个是撞击器自带的高分辨率成像仪，名为孪大星侦察和小行星光学导航相机(DRACO)，另一个是搭载DART探测器的小型意大利立方星，名为轻型意大利小行星成像立方星(LICIACube)。

DRACO主要有两个作用——支持自主制导系统以确保DART击中目标，并为结果的分析和解释提供必要的数据。它将在接近目标时拍摄孪大星和孪小星的图像，以测量它们的大小和形状，并拍摄孪小星表面的图像，以记录探测器湮灭前撞击地点的特征。

与此同时，LICIACube将在撞击前10天与DART分离，并改变其轨道，使其落后于主探测器3分钟以内，以便安全飞过目标。当立方星掠过孪大星系统，到达距离仅55千米的最近点时，它的两台光学相机——被称为LICIACube单元关键探测器(LUKE)和LICIACube小行星成像探测器(LEIA)——将见证撞击过程，最初的喷出物质和撞击坑的初始状态，并在最后加速离开时记录孪大星和孪小星的背面。由于无法减速，DART撞击的唯一幸存者将继续穿越天体深渊，并终其一生围绕太阳漫无目的运转。

但回到地球上，DART团队的兴奋之情将在那时达到顶峰。一些世界上最强大的望远镜将在碰撞前后瞄准孪大星系统。它们将测量系统的亮度如何随时间变化，并绘制成一个叫做光变曲线的图表。从地球的角度看，光变曲线的下降意味着小卫星从孪大星前面经过或隐藏在孪大星后面，由此可以精确测定这一系统的轨道周期。

/ 不确定的Beta

碰撞应该会使小卫星减速，把它踢到一个稍低的、周期更短的轨道上。如果DART能够使孪小星偏离预定轨道达到地球上可探测到的最短时间——极短的73秒，那么就意味着这次偏转成功了，但斯塔特勒更加乐观：“预计将会在周期上出现一个大约10分钟量级的变化，”这相当于将两颗小行星最近的距离拉近22米，“但这就是我们必须做测试的原因，因为我们并不清楚。”（译者注：基于撞击后两周获得的监测数据，项目团队确认DART已经成功改变了孪小星的轨道，使其轨道周期缩短了32分钟，超过最低预期的25倍。）

不确定性可以归结为一个符号，beta(β)。beta是一个数字，用来比较孪小星在碰撞前后的动量。更确切地说，它是用来衡量除了探测器本身携带的动量，能够有多少额外的动量被转移到小行星上。

如果β=1，DART将与孪小星发生完美的非弹性碰撞，将DART的所有动量都转移到小行星上。但科学家们希望DART的动力能从小卫星表面喷出的巨大柱状物中得到提升。斯塔特勒解释说：“它的工作原理就像一个额外的、瞬时的小型火箭发动机，将小行星推向另一个方向。”“有了这些喷射物的帮助，你就能够得到大于1的β值。”

但是计算并不简单。它涉及到许多与撞击器以及小行星的性质有关的因素。现在，孪小星的大部分特征都是完全未知的。它的形状像土豆、甜甜圈、骰子还是其他一些古怪的形态？是坚固的岩石吗？玄武岩？它是多孔的还是致密的，破裂的还是完整的，结实的还是脆弱的，有韧性的还是易碎的？如果探测器在与模拟不同的位置或角度撞击小卫星会发生什么？所有这些因素都在一定程度上决定β值。

斯塔特勒说，根据物理学家选择的最佳猜测，模拟表明DART碰撞的β值可能从一个小的额外推力(β=1.5)到一个巨大推力(β=5)不等。这是一个问题。如果我们需要使一颗小行星偏离地球的轨道，我们将需要更精确的模拟来告诉我们自己的努力是可能成功还是失败。




1. DART和LICIACube将在2022年底逼近孪小星。



2. DART击中孪小星，产生大量的碎片，有助于降低小卫星的速度。



3. 几分钟后，LICIACube安全飞过，并观测残骸。这次撞击俘获了孪小星的轨道能量，略微缩小了其绕转孪大星的轨道（为了更清晰的展示，此处夸大了尺寸变化和延伸）。



4. 2026年，赫拉号和它搭载的两个立方星将到此开展探测。

/欧洲紧随其后

DRACO的正面视角，LICIACube的广角视角，以及来自地球的远距离观测，将使计算β的大部分未知因素变得更清晰。但仍有一些因素是不确定的。这就是为什么在孪小星表面的尘埃落定一段时间之后，小卫星会迎来另一位访客。欧空局的赫拉号（Hera）探测器计划于2026年12月抵达孪大星系统。就像犯罪现场调查员一样，赫拉号将配备各种仪器，精确分析DART撞向孪小星时发生的事件。“我们想要得到这次撞击实验的完整记录，”赫拉号项目负责人，法国尼斯蔚蓝海岸天文台的帕特里克·米歇尔（PatrickMichel）解释说，“DART将提供初始条件，但我们还需要其他两样：撞击的结果和目标天体的物理属性。”

研究将发现的一个关键性质是孪小星的质量。使用DRACO和LICIACube成像来限制小行星的形状和体积，并假定适当的密度，DART将能够间接测量这一参数。通过确定小卫星在孪大星系统位置上引起的相对于系统共同重心的“摆动”，赫拉号将更精确的测定质量。通过这样测量得到的结果不确定度将小于10%。

赫拉号还将详细绘制DART撞击坑的形状，这对撞击模拟的准确性也有意义。在DART被摧毁后，LICIACube只能从近距离见证当时的撞击后果。从以往的经验来看，这段时间可能不足以看到DART撞击产生的全部影响。

在DART和赫拉号为我们提供真实的天体数据基础上，物理学家们终将得到他们所需要的一切，来确认撞击的β值，并准确重现在孪小星上发生的事情。如果他们能够准确地模拟DART的撞击，那么就可以将同样的物理原理应用到其他小行星和撞击的模拟中，从而为规划真正的偏转任务省去大量的猜测工作。

——本文选自《中国国家天文》12月刊


作者简介/
<hr/>本杰明·斯库斯（Benjamin Skuse），生活在英国萨默塞特的科学作家。
作者简介/
<hr/>李海宁，中国科学院国家天文台副研究员，主要从事银河系考古研究。曾翻译包括《天文学百科》在内的多部科普书籍。