美国国家航空航天局（NASA）即将发射的 DART（双小行星重定向测试）任务或许将成为保护地球防御小行星威胁的模板。
也许有一天，一台已经在仓库里堆放许久的航天器会被召唤到发射台，尽管它的建造者曾祈祷它永远不要发射。这不是普通的航天器，尽管工程师们为它装载了尽可能多的高科技设备，但在设计上，它并不能帮助解开任何一个科学之谜。相反，它将担负起一个更加严峻的任务：使小行星偏离撞向地球的轨道。
▲ DART 探测器接近 Dimorphos 的想象图，背景是较大的 Didymos
时至今日，科学家已经追踪了地球附近的 27000 多块太空岩石，尚未发现这样的小行星。然而，行星防御领域的专家们很清楚，在 6500 万年前，正是这样一个物体导致了大多数恐龙灭绝。他们决心确保人类不会遭遇同样的命运，于是提出了一个解决方案：将任何有威胁的小行星推开，以避免撞上地球。
▲ 这张图显示了截至 2018 年发现的所有近地小行星，超过 18000 个。到 2021 年 11 月时，这一数字已超过 2.7 万
现在，世界上第一个用于行星防御的航天器正在美国加利福尼亚州范登堡太空基地待命，准备迎接 11 月 23 日的首次发射机会。按照计划，DART 探测器将在不到一年的时间内抵达一个近地双小行星系统，最终撞击小行星 Didymos 的小卫星（称为 Dimorphos）。如果一切顺利，该探测器将为行星防御提供关于小行星轨道偏转的第一份真实数据。
“这不是一个新问题：人们已经知道小行星是一个潜在的威胁，也一直想要采取措施来防止未来发生这种情况，”负责协调 DART 任务的美国约翰・霍普金斯大学应用物理实验室行星科学家南希・沙博说，“也许这是人们心中长久以来就有的一个念头。”
让小行星偏转的方法不止一种，而 DART 任务测试的技术被称为“动能撞击器”（kinetic impactor）。具体而言，就是当你用足够大的物体以足够快的速度直接撞击一颗小行星时，其运行轨道就会改变。首先，这颗小行星会减速，而这意味着它会落向所环绕运行的天体，通过物理学运算可知，小行星在更靠近该天体的轨道上要比在原来的轨道上稍快一些。
确定目标
DART 探测器的将把它的全部重量（550 千克）撞向小行星 Didymos 的小卫星 Dimorphos。南希・沙博表示，DART 任务的这个目标确实选得很好。科学家认为，这两块太空岩石都是近地小行星中最常见的类型（S-型，一般由硅化物构成，与普通球粒陨石类似）。Didymos 宽度约 780 米，与一座超高层摩天大楼相当；它的小卫星 Dimorphos 约 160 米宽，与埃及的大金字塔差不多。
在行星防御专家看来，这种大小的小行星尤其具有研究价值。他们将小行星分为三类，最大的那些宽度超过 1000 米，可能会造成最大程度的破坏，但同时也是最容易被发现的。目前，科学家非常自信他们已经找到了大部分这样的小行星，但没有一个会对地球造成威胁。最小的小行星由于体积有限，不会造成太大的破坏；有些甚至在穿越地球大气层就已燃烧殆尽。
处在中间的是宽度超过 140 米，但又不到 1000 米的小行星，这也是行星防御专家们最担心的一类。这些小行星比 1000 米以上的小行星更难发现，但如果其中一颗撞击地球，仍可能造成区域性的灾难事件。Dimorphos 的大小刚好在这个范围内。
DART 团队还希望瞄准一颗围绕较大小行星运行的小卫星，而不是围绕太阳运行的小行星。这一选择部分是为了方便，部分是出于谨慎。首先，DART 任务的领导者相信，轻推 Dimorphos 不会意外导致任何物体撞向地球，使这个团队正在努力解决的问题恶化。
一颗小行星可能每几年才能绕轨道运行一周，但 Dimorphos 大约每 12 小时就会绕 Didymos 运行一周。DART 团队预计，这次撞击可能会使这一周期缩短 10 分钟左右，与 12 小时的运行时间相比，这种差别已经相当明显，而且可以更快地记录下来。
DART 的观测结果将是首次真实的小行星撞击数据，未来的行星防御者可以将这些数据输入到模型中，得出可以用多大体积航天器，采用多快的速度，才能足以抵御一颗小行星。这正是 NASA 戈达德太空飞行中心的航空工程师布伦特・巴比所从事的工作。他负责设计假想的航天器任务，特别是为行星防御领域每两年举行一次的重要会议设计实践场景。
“DART 任务的结果将从许多方面，为我们推进行星防御的假想工作提供信息，”布伦特・巴比说，“在未来很多年里，它将影响我们设计行星防御任务的思考方式，从这个角度来说，这项任务的重要性的确不能被低估。”
▲ 工程师们将 DART 探测器放入位于范登堡太空部队基地的 SpaceX 处理设施中，该任务将在 2021 年 11 月 23 日发射
一切都取决于时机
从事行星防御研究的科学家们很快就意识到，我们不可能在发现威胁之前将其转移。对地球上的人们来说，预警时间越多，情况就越有力。
对于 DART 任务所测试的“动能撞击器”方法，预警时间尤为重要，因为小行星轨道的预期变化是相当小的，小行星需要绕太阳转几个圈之后，才能积累足够的变化，使其最终不会与地球发生碰撞。“当你有几十年的预警时间时，动力撞击器就有足够的时间完成任务，”布伦特・巴比说道。
南希・沙博指出，有了足够的预警时间，就有了更多的可能性，比如我们可以发射一艘宇宙飞船侦察危险小行星，并完善偏转任务。
“当你有充足的预警时间时，你要做的第一件事就是去更好地看看这个东西是什么样子，从而知道你面对的是什么，”她说，“你可能不会指望发送到这颗小行星上的第一个东西就能使它偏离。”
科学家只能从地球上了解任何一颗小行星，包括它的轨道，以及对其体积的模糊估计，也许对它的形状和组成有一个模糊的概念。所有这些因素都会影响到最优行星防御任务的设计。“这将是非常有用的信息，但对于 DART，我们无法提供太多，”南希・沙博说，“这实际上可能比获得更长的预警时间更有挑战性。”
人的因素
在真实的行星防御场景中，预警时间的一个重要用途将与小行星无关，而是与人类关系更大。无论是否还有时间阻止小行星撞击，国际对话都至关重要。行星防御专家强调，一些国家可能会受到撞击，另一些国家或许能够采取行动阻止撞击，还有一些国家可能会受到附带影响。因此，所有国家都应该参与到地球的防御当中。
但与流行病或气候变化这样的事件不同，对于小行星撞击可能引发的灾难，目前还没有正式的专业国际组织。联合国安理会可能会负责此事，但世界各国间的交流也非常重要。从法律上讲，行星防御尤其棘手，因为一种潜在的偏转技术依赖于核爆炸，而核武器是不允许进入太空的。随着行星防御技术的发展，该领域正变得越来越跨学科，不仅与科学和航天工程有关，还涉及国际法和救灾应急。
是时候发射了
行星防御专家认为，动能撞击器方法只是偏转小行星路径的一种技术。其他选择可能会用到激光、飞船引力牵引或核爆炸等。在必要的时候选择哪一种方法最为合理，将取决于地球拥有的预警时间和小行星的大小。有时，使一颗小行星偏转甚至需要不止一次任务，设计任务的难度也会随之增加。
任何一次发射都需要两个组成部分：火箭和航天器。“我们还会采用按需建造的方法吗？还是更愿意采用模块化的建造方式，”布伦特・巴比说，“或者我们能否在整个航天器建造完成后，将它存放在某个仓库或其他地方？这也是一个问题。”
同样地，我们也要考虑火箭发射的推力问题。“真正有用的是让火箭做好发射的准备，因为这通常无法仓促完成，”巴比说，“假设你的时间突然变少：在目前的程序下，要及时准备好发射一枚火箭将会相当困难。”
另一方面，如果偏转任务需要进行一系列发射，后勤问题也会成倍增加。出错的风险也是如此。尽管这只是一种可能性，但行星防御专家们仍需要对此进行评估。
许多噩梦般的场景会出现。例如，小行星发生了部分偏转，但不足以远离地球。“它仍在飞向地球，但此时的撞击点已经不在原来的位置，”巴比说，“现在我们人为创造了另一个灾难，不同于自然版本的灾难。”
我们也可能对小行星的质量估计有误，或者小行星的轨迹没有像预测的那样。巴比说：“当你撞击小行星，而不是将它作为完整的物体使其偏转时，你可能会无意中使它断裂出碎片。”这些碎片可能也会对地球造成威胁。
因此，存放在仓库中的航天器最好不止一个。“你不会只发送一个，”南希・沙博说，“你可能会先发送一个，过后再发送另一个，可能会在几周后到达。根据第一个航天器的情况，在决定是否需要推动它多一点或少一点。”
事实上，耗资 3.3 亿美元的 DART 任务确实有后续计划。欧洲空间局（ESA）将在 2024 年发射一台名为“赫拉”（Hera）的航天器，其探测结果将于 DART 任务之前的观测数据进行对比，让科学家们更详细地了解真正的行星防御任务可能需要考虑的因素。
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