NASA將進行「自殺任務」，以證明我們能夠阻止小行星撞地球

2020-10-23 木木西裡科技

80 年代末，一個可能毀滅人類文明的小行星與我們擦肩而過。美國國家航空航天局（NASA）其後的官方報告顯示，小行星撞擊地球事件一旦真正發生，後果將無法挽回。30 年後的今天，人類手中終於有了應對的策略。


圖片來源：ED WHITMAN/NASA/JOHNS HOPKINS APL

美國馬裡蘭州，乾淨的實驗室裡散落著一堆白色立方體配件。這個還未建造完成的裝置，可能是我們對抗「小行星殺手」的最後希望。該裝置由約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室開發，目前，研究者們正在嘗試讓這個「方塊」與美國另一端的射電望遠鏡對話。


明年夏天，NASA 將派遣這個白色方塊執行史上第一個太空飛行器「自殺任務」。此次行動被稱作「雙小行星系統重定向測試」（Double Asteroid Redirection Test，DART），旨在驗證人類能否保護地球不遭受小行星的撞擊。在這次行動中，方塊將在離地球 7 百萬英裡（1120 萬千米）的地方撞擊一個衝向地球的小行星，在理想的情況下，這次撞擊將把小行星推離原運行軌道，從而證明人類具有保衛地球的能力。


保衛地球的太空飛行器

1987 年，地球曾經與一個直徑 0.5 英裡（約為 804 米）的小行星以不到 100 萬英裡（160 萬千米）的距離擦肩而過。當時在 NASA 工作的 Bevan French 表示，這個小行星撞擊地球的其威力將與 2 萬個 100 萬噸級氫彈相當（百萬噸級指該氫彈的爆發威力與 100 萬噸 TNT 的爆發威力相當）。這次事件過後，國會要求 NASA 調查宇宙中遊蕩的小行星能夠對地球上的生命造成多大程度的威脅。調查報告結果顯示，「儘管地球被規模較大的小行星或彗星撞擊的機率並不高，但撞擊事件一旦發生，將對地球產生不可挽回的影響。」


圖片來源：Pixabay

時至今日，天文學家已經在太陽系中觀測到超過 1.6 萬個直徑範圍在 140-1000 米之間的小行星。如果處在這個範圍區間內的任意一個小行星撞擊地球，都將帶來人類文明的消亡和大規模的物種滅絕。科學家們認為，儘管情況並不樂觀，但人類憑藉自身的力量或許還能獲得一線生機——如果能夠及時偵查出可能毀滅地球的殺手小行星，我們就能夠提前發射「自殺」太空飛行器，通過撞擊小行星的方式改變它的運行軌道。


這個聽起來像是科幻電影情節的策略或許是可行的，但我們需要一個測試來驗證它的成效。DART 的項目設計師 Justin Atchison 表示：「所有人都知道我們可以擊中一顆小行星。但在理論與實際之間，我們還有很長的一段路要走。」要走完這段路， 我們需要給 DART 尋找一個合適的測試對象。

刺殺小行星

在設計 DART 的前身 Don Quijote 時，這項小行星刺殺任務本需要兩架太空飛行器合作完成：一個負責撞擊，而另外一個負責觀測。這個方案最終因為成本過於高昂而被歐洲太空總署（ESA）否決，其後，項目被擱置了近十年。


奇蹟的發生往往只需要一個頓悟時刻。如今的 DART 項目的首席負責人之一 Andy Cheng 在晨起鍛鍊的時候靈光一現：假如撞擊的對象是雙小行星系統，我們就可以通過觀測相對位置來計算被撞小行星的軌道偏離程度。這意味著我們能夠用地面望遠鏡取代負責觀測的太空飛行器，從而大大降低任務的運行成本。


方法確定了，想找到一個趁手的練習對象卻沒有那麼簡單。首先，宇宙中遊蕩的雙小行星系統並不如我們想像的多，處在地球可觀測範圍內的系統就更少了。此外，我們的目標還需要滿足一個要求：要想讓太空飛行器明顯改變小行星運行軌道，這個系統的規模要足夠小。通過上述條件的篩選，Andy Cheng 的團隊最終選定迪迪莫斯（Didymos）雙小行星系統中的衛星迪莫弗斯（Dimorphos），並在 2011 年向 NASA 提交了計劃。


迪迪莫斯系統模擬圖像。圖片來源：Naidu et al., AIDA Workshop, 2016

迪迪莫斯（Didymos）系統由直徑不到 1 千米的小行星迪迪莫斯及其直徑 160 米的衛星迪莫弗斯（Dimorphos）組成。根據過去的觀測結果，我們還知道迪莫弗斯以每圈 12 個小時的速度繞迪迪莫斯運轉。這就是我們對於刺殺目標所掌握的全部信息了。「我們根本不知道迪莫弗斯長什麼樣，」 DART 的首席設計工程師 Elena Adams 表示，「我們只見過迪迪莫斯。」

駛向未知的星系

該怎麼撞擊一個你見都沒見過的小行星呢？要知道，小行星的形狀、構成成分等重要信息對我們能否成功完成任務起到至關重要的作用。舉個例子，狗骨頭形狀小行星的「刺殺」難度要比球形的高得多——太空飛行器很難碰上它，更別說擊中小行星的中心了。不過，現代科學給了我們「盲人摸象」的底氣。DART 上裝置了決策系統，能在看見迪迪莫斯時自行判斷撞擊方向。


這個決策系統由相機 Draco 和智能導航系統 Smart Nav 組成。在飛向目標約莫一年的旅途中， DART 太空飛行器在大半的時間裡都只能模糊地看見迪迪莫斯系統。直到碰撞開始的前一個小時，我們才有機會一睹目標迪莫弗斯的真容。在這一個小時中，地面上的科學家將不再做出調整措施，DART 只能依靠自己的「大腦」做決定。因此，它的視力必須清晰，導航必須精確。搭載相機 Draco 不僅必須需要達到極高的精準度，還需對太空的低溫有極高的耐受度。常用的光學器件對於低溫極其敏感，因此研究人員們研製出了能抵抗低溫帶來扭曲效應的新材料。此外，在發射前，研究人員還需要通過無數次的模擬，幫助 DART 在「看見」迪莫弗斯時快速地做出決策。


圖片來源：ED WHITMAN/NASA/JOHNS HOPKINS APL

DART 項目中的技術革新還不止於此。這個太空飛行器還將首次測試兩種裝置在太空飛行中的表現——與太陽能電池結合的太陽能帆板系統，及以氙氣作為推進劑的離子噴射發動機（NEXT-C）。


DART 預計 2021 年 7 月發射，該太空飛行器將在 SpaceX 獵鷹 9 號運載火箭的助推下以駛過太陽系。經過一年左右的飛行，它將抵達目標迪迪莫斯系統，以大約 6.6 km/s 的速度撞擊迪莫弗斯。新冠疫情幾乎沒有對 DART 項目進度造成影響，這除了團隊間的高效配合外，還來自於團隊的信念。小行星撞擊地球的危機就如同流行疾病的危機一樣抽象，在它真正發生之前，所有人都認為這不過是一個科幻故事。「不管是 Covid-19，還是任何其他的災難，無論世界將要發生什麼，我們都不會停下。」 Adams 說道。

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