NASA發射火箭「碰撞」小行星,實驗結果超出預期,科學家無法解釋

2021年11月23日,美國國家航空航天局(NASA)發射了一艘叫做獵鷹9號的火箭,將名為DART的航天器送入太空,開始飛向一個包含孿大星(Didymos)和孿小星(Dimorphos)兩顆相互繞轉行星的雙小行星系統。

今年9月26日,這顆名叫DART的航天器,以驚人的準確度,用犧牲自我的方式,撞向了它的發射目標——雙小行星系統中名為Dimmorphos的小衛星孿小星。

而就在前不久的10月12日,美國國家航空航天局(NASA)明確發布消息,證實了這次撞擊任務的結果:改變了這顆被它撞擊的小行星在太空中運行的軌道。

DART航天器為什麼要以自我犧牲的方式去撞擊一顆小行星?撞擊后發生了什麼?又產生了哪些超乎預期的現象,讓NASA科學家無法解釋?讓我們先從這次撞擊的目的說起。

(一)DART航天器主動撞擊孿小星(Dimmorphos)——阻止小行星撞擊地球行動的第一次真正意義上的試驗

「小行星撞擊地球」一直是會對人類與地球造成災難的重大隱患。

在太陽系中,除了我們所熟悉的八大行星,還有著許許多多體積很小的小行星,同八大行星一起,繞著太陽轉動。它們一般都會有自己特點的軌道,絕大多數情況下,并不會有脫離自己的軌道,與地球發生碰撞。

但由于行星之間的引力擾動、相互的碰撞、以及太陽輻射的變化,都有機率使其軌道方向變化,形成與地球撞擊的風險。

6500萬年前,恐龍的滅絕就很有可能由一顆小行星的撞擊而引發;1908年6月30日著名的小行星撞擊事件通古斯大爆炸,造成周圍多地地震及磁場擾動,甚至出現白夜。

NASA發布的航天器DART,即為Double Asteroid Redirection Test(雙小行星重定向測試)的縮寫。它意在通過DART航天器對孿大星系統中,孿小星的撞擊,改變其圍繞孿大星轉動的軌道,并使其輕微減速。

從而模擬,當檢測到對地球有撞擊威脅的小行星時,人工撞擊使其軌道的偏移。

理論上,這樣的技術可以拯救地球,使我們免于恐龍的命運。

(二)為什麼選擇撞擊Didymos雙星系統(孿大星系統)中的孿小星?

DART選擇撞擊孿大星系統中孿小星的主要原因有三點。

第一,是因為孿小星在可觀測到的前提下,重量足夠小。

在外側繞行的小衛星——孿小星Dimorphos直徑160m;被圍繞的小行星——孿大星Didymos直徑有780m。撞擊直徑僅為160m的孿小星,能夠使其運動軌跡變化,產生可觀測的周期改變。

第二,孿大星系統與地球的距離適中。

Didymos雙星系統(孿大星系統)自2003年被發現以來,到2022年10月,距地球1060萬公里,是離地球最近的一次。下一次還想這麼近則要等到2062年。

孿大星系統本身沒有撞擊地球的風險,但它與地球的距離適中;且孿大星相對太陽的公轉周期(2.1年)與地球相對太陽的公轉周期(1年)相接近。可以較好地模擬航天器對近地小行星撞擊的防御。

第三,便于直接觀測計算,撞擊后孿小星速度與軌道周期的變化。

孿小星繞孿大星轉動的軌道半徑約為1千米,轉一周的周期11.9小時。從地面望遠鏡觀察系統中孿大星與孿小星,二者由于相互繞轉,產生互相遮擋,光線周期性地變暗;相較于單個小行星體而言,雙星系統更方便通過觀測變暗的周期變化,來直接計算出軌道周期的變化。實現碰撞前與碰撞后周期的比較。

(三)撞擊前:四張影像——令人激動的撞擊

2022年9月27日上午7點14,DART成功撞擊了小行星目標Dimorphos。在撞擊前的最后時刻,DART一點點,接近孿小星,由于距離的增近,DATA搭載的Didymos偵察和小行星光學導航相機(DRACO)成像儀視野中孿大星系統的圖像越來越大,也越來越清晰。

視野中由一開始的Didymos雙星系統,逐漸變為只有Dimorphos小行星。

然后,Dimorphos小行星越來越多地充滿了視野,看到圖像中清晰可見的巖石表面。

直至,DART航天器撞入Dimorphos小行星中,航天器毀壞,留下還未完全生成的最后半張小行星表面的照片。

以上的照片,分布為撞擊前的2.5分鐘、11秒、2秒、以及最終觀察。

此時,NASA航空局和約翰霍普金斯研究所里DART團隊的航天工程師們,興奮地歡欣鼓舞,擊掌慶賀,宣布此次撞擊任務圓滿成功。

(四)撞擊后的觀察——孿小星的物質噴射與光線變化?軌道周期改變了嗎?改變了多少?

由于航天器撞擊孿小星之后會因為撞擊而毀壞,無法繼續攝影觀察。所以,DART航天器體內攜帶了一顆由意大利航天局(ASI)制造的LICIACube立方星,在撞擊15天前從DART航天器內脫出,與之分離,跟隨其后,拍攝和記錄撞擊之后的影像。

下面這張是撞擊后3分鐘,LICIACube衛星從Dimorphos附近飛過,拍攝下撞擊后的孿大星系統影像。

這是LICIACube衛星接近Dimorphos孿小星之前獲取的圖像,孿小星被撞后脫落的羽流清晰可見。

這是LICIACube衛星接近Dimorphos孿小星之后獲取的圖像,可見,此時,LICIACube已飛至孿小星背面的視角。

這是LICIACube衛星拍攝的經處理后的孿小星被撞后形成的噴射物羽流的近距離圖像,每個矩形代表不同級別的對比度,可以更好地觀察羽流中的精細結構。

這是哈勃望遠鏡于撞擊后22分鐘、5小時和8.2小時分別拍攝的孿小星影像。可以發現,在撞擊后,孿小星的一些區域快速地變亮,天文學家估計亮度的增加約有三倍,并在增加后保持穩定,即使在撞擊后八小時也是如此。

撞擊產生的噴射物看起來像是從小行星主體延伸出來的射線,一些射線似乎略微彎曲,天文學家還在研究這種現象的原因。

這是撞擊兩天后,智利的SOAR望遠鏡拍攝的孿小星表面物質流的側視圖,在右邊,這種物質正在在太陽輻射的壓力下,形成一條6000多英里長的彗星狀尾巴。

這是撞擊后285 小時(約12天),10月8日美國宇航局哈勃望遠鏡拍攝的圖像。

隨著時間的推移,撞擊后噴射出的「噴射物」的亮度已經擴大和消退,尾巴的形狀隨著時間的推移逐漸變化,10月2日至8日之間,慢慢形成了第二條尾巴。這雖然與科學家們的預期基本相符,可雙尾卻是一個意想不到的發現,盡管它在彗星和活躍的小行星中也算得上常見。

關于彗星狀尾巴和其他噴出物特征之間的關系,以及第二條尾巴形成的原因,科學家們還在繼續努力研究。

下方的左右兩張圖片分別為NASA的Goldstone行星雷達和美國國家科學基金會Green Bank天文台的雷達于10月4日和10月9日的觀測;綠圈表示孿小星的位置,藍圈表示,按照初始的軌道周期11h55min,孿小星應處的位置。圖像證明,孿小星的軌道周期確實發生了改變。

經科學家精確計算,最后,于10月12日公布:孿小星的軌道周期,從最初的11小時55分,縮短到11小時23分鐘,總共縮短了32分鐘(有兩分鐘的不確定性余量)!這與科學家在撞擊前的目標——讓孿小星的軌道周期改變73秒或更長,以及撞擊后的預測——軌道縮短1%,即大約10分鐘相比,均超出了很多。

這標志著人類首次有意改變天體運動,全面展示小行星偏轉技術的成功!

(五)NASA DART任務在12月15日公布的早期結果

12月15日,在芝加哥舉行的美國地球物理聯合會秋季會議期間,DART團隊成員對他們的發現做了初步的解釋,主要包含以下兩點。

1. 孿大星與孿小星的構成與組成材料相似

上面是NASA紅外望遠鏡于撞擊前后拍攝的光譜,撞擊前的光譜主要是來自孿大星的光(約占總亮度的96%)。撞擊后,孿小星噴出了大量物質,使得撞擊后光譜中三分之二光來自孿小星(及其噴出物)。兩個光譜都顯示出相似的特征,被歸類為S復合物,與普通球粒隕石的光譜相似。

即說明,孿大星與孿小星的構成與組成材料相似——都是普通的球粒隕石,與我們最常見的撞擊地球的隕石類似。

2. 測量DART航天器與孿小星碰撞所產生的動量傳遞是科學家注意力的焦點

利用以上的信息碎片,假設孿大星和孿小星具有相同的密度,該團隊計算出,DART航天器撞擊孿小星時轉移的動量大約是孿小星簡單地被航天器撞擊,不產生噴射物情況的3.6倍——這說明,噴出物的后坐力對孿小星移動的推動作用比DART航天器的撞擊作用更大,就好比,我們小時候吹氣球,松開氣球嘴后,氣球在氣球嘴往后放氣的推動下前進。

他們估計,DART的撞擊使孿小星中超過100萬公斤的塵土飛揚到太空中,——可以裝滿六到七節火車車廂!

他們也正在使用LICIACube立方星、哈勃望遠鏡、以及合作的其他望遠鏡和雷達觀測到到的數據,進一步研究噴出物的特征與孿小星的組成,計算DART的撞擊后坐力究竟有多大,讓孿小星移動了多少。

DART調查小組的研究人員表明:了解航天器撞擊將如何改變小行星的動量是行星防御任務的關鍵。這幫助我們確定撞擊航天器所需的大小,以及估計確保將存在潛在威脅的小行星從其軌道上移開所需的準備時間。

同時,他們也表明,在DART與孿小星碰撞之前或之后,孿大星與孿小星系統都不會對地球造成任何危害。

以上就是,你想知道的關于DART撞擊小行星計劃的所有。至于目前還未清晰的幾個問題——

孿小星被撞后精確的軌道周期到底是多少(兩分鐘不確定余量的消除)?

被撞擊之后的光線為什麼有些彎曲?為什麼會出現彗星般的長尾,而后又變成雙尾?

孿小星的地質組成究竟如何,它的密度和組成物質的松散程度是怎樣的?

在這種非彈性碰撞的前提下,如何精確地計算軌道的改變?

如果對地球有威脅的小行星地質組成非常松散,又會產生什麼樣的撞擊后果,碎片會飛向何處?會不會產生不良的胡蝶效應?

還要等待進一步的探索與發現。


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