作者：李明濤（中國科學院國家空間科學中心研究員）

　　小行星撞地球是小概率事件，但它給地球生物帶來的影響卻可能是毀滅性的——據(jù)猜測，恐龍的滅絕很可能就是由小行星撞地球而引發(fā)。此前，人們已經(jīng)能夠測算出小行星的軌道，可以通過望遠鏡努力找出那些可能給地球帶來威脅的“危險分子”?，F(xiàn)在，人類保衛(wèi)地球的能力再進一步：北京時間2022年9月27日，美國“雙小行星重定向測試（DART）”任務在距離地球約1100萬公里處，以約6.3千米/秒的速度成功擊中“狄迪莫斯（Didymos）”雙小行星系統(tǒng)中的子星“狄莫弗斯（Dimorphos）”，這標志著人類第一次行星防御任務完成了最關鍵、難度最高的撞擊動作。

　　小行星撞擊，來自太空的威脅

　　近地小行星是指軌道近日點距離在1.3Au（天文單位，等效日地平均距離，約1.496億千米）之內(nèi)的小行星。近地小行星在環(huán)繞太陽運行的過程中，受到木星等大行星引力牽引，存在撞擊地球的風險。近地小行星撞擊是人類社會面臨的共同威脅和長期挑戰(zhàn)，一旦千米級尺寸的近地小行星撞擊地球，不僅會帶來巨大的撞擊災難，甚至還會引發(fā)氣候環(huán)境災變和物種滅絕等嚴重后果。

　　根據(jù)科學家考證，地球歷史上發(fā)生了22次不同規(guī)模的物種滅絕，至少10次與小行星撞擊地球相關。有科學家認為6500萬年前，一顆直徑10千米的近地小行星撞擊北美墨西哥灣地區(qū)。巨大的撞擊能量，在海底形成一個直徑約180千米的隕石坑，大量海底物質(zhì)被拋射到空中。熾熱的撞擊濺射物引發(fā)了全球森林大火，燃燒的灰燼和濺射塵埃云進入了平流層，遮擋了大部分太陽光，全球溫度驟降，植物光合作用受到影響，引發(fā)了地球氣候環(huán)境災變，最終導致了包括恐龍在內(nèi)，全球70%的物種滅絕。

　　這次撞擊導致統(tǒng)治地球長達1.6億年的恐龍退出地球舞臺，是地球歷史上白堊紀結束和新生代開始的分水嶺。也正是這次撞擊事件后，體型更小、消耗資源更少的哺乳動物逐漸適應了惡劣的環(huán)境，逐步走向地球舞臺中央，發(fā)展出今天高度發(fā)達的人類文明。

　　即使小尺寸近地小行星撞擊地球也可能引發(fā)顯著危害—2013年，一顆小行星“襲擊”了俄羅斯車里雅賓斯克地區(qū)，“肇事”小行星的直徑僅約18米，但仍然導致了接近1500人受傷、3000棟房屋受損。像這樣的近地小行星，在太陽系中有數(shù)百萬顆，超過99%我們尚未發(fā)現(xiàn)。

　　由此可見，開展行星防御是保衛(wèi)人類自身、續(xù)存人類文明、保衛(wèi)人民生命財產(chǎn)安全的必然要求，也是外太空人類命運共同體的重要體現(xiàn)。

　　開啟行星防御時代

　　如何化解小行星撞地球的危險？這是全球天文學家們關注的焦點?！半p小行星重定向測試”任務無疑是近年來最具挑戰(zhàn)性，也最成功的嘗試。這一任務由美國行星防御協(xié)調(diào)辦公室（PDOC）立項支持，約翰霍普金斯大學應用物理（APL）實驗室負責研制，總投資約3.9億美元，其撞擊器發(fā)射重量約為610公斤，于北京時間2021年12月24日搭乘獵鷹9號運載火箭發(fā)射。

　　它的目標是通過在深空環(huán)境中實施動能撞擊小行星試驗，測試動能撞擊防御小行星的技術，并通過評估撞擊后小行星軌道偏轉(zhuǎn)效果掌握小行星的軌道偏轉(zhuǎn)規(guī)律，從而為未來應對近地小行星撞擊風險任務設計提供依據(jù)。這是人類第一個行星防御驗證任務，標志著人類開啟行星防御時代，象征意義重大。

　　難點有很多。“雙小行星重定向測試”任務設計最大的挑戰(zhàn)之一就是如何準確評估撞擊后小行星的軌道偏轉(zhuǎn)效果。要知道，小行星主要由巖石和金屬等材料構成，一般直徑百米級的近地小行星的重量可達百萬噸甚至千萬噸，而人造撞擊器的重量僅有數(shù)百公斤至數(shù)千公斤，兩者重量相差6~7個數(shù)量級，盡管撞擊速度接近10千米每秒，但撞擊后對小行星的軌道速度改變量可能甚至不足1毫米/秒（mm/s）——以人類現(xiàn)有天文觀測能力，還難以在千萬公里之外的超遠距離，分辨出毫米/秒量級的軌道速度改變量。因此如何準確評估撞擊后近地小行星的軌道偏轉(zhuǎn)效果進而認識小行星的軌道偏轉(zhuǎn)規(guī)律，是動能撞擊試驗的關鍵難題。

　　“雙小行星重定向測試”任務通過選擇試驗對象為“狄迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)巧妙地解決了撞擊偏轉(zhuǎn)效果評估難題。雙小行星系統(tǒng)是太陽系中廣泛存在的一種小行星構型，在直徑超過300米的小行星中大約15%是雙小行星構型或者多小行星構型。在雙小行星系統(tǒng)中，子星在主星引力作用下，運行在環(huán)繞主星的軌道上。毫米/秒量級的撞擊速度改變量雖然不能顯著改變小行星環(huán)繞太陽運行的軌道，但足以改變子星相對主星的繞轉(zhuǎn)軌道，并導致子星相對主星的繞轉(zhuǎn)周期改變。而子星相對主星的周期性運動會改變其反射的太陽光通量，利用望遠鏡對雙小行星系統(tǒng)開展持續(xù)觀測，就可以測量雙小行星系統(tǒng)亮度的周期性變化，進而精確評估出撞擊后雙小行星系統(tǒng)的周期變化量。

　　“狄迪莫斯”雙小行星系統(tǒng)中包括兩顆小行星，主星“狄迪莫斯”直徑約780米，子星“狄莫弗斯”直徑約160米，兩者距離約1.2千米，共同運行在環(huán)繞太陽運行的軌道上。子星“狄莫弗斯”像一臺鐘表一樣，約每11.9小時環(huán)繞直徑約780米的主星運行一圈。“雙小行星重定向測試”任務通過“迎頭撞擊”改變子星相對主星的繞轉(zhuǎn)軌道，預期使其繞轉(zhuǎn)周期縮短約10分鐘。

　　為了評估撞擊效果，詹姆斯·韋布太空望遠鏡、哈勃太空望遠鏡、“露西”小行星探測器和“金石”雷達、ATLAS、甚大望遠鏡等太空和地面望遠鏡在撞擊前后進行了持續(xù)觀測監(jiān)測，并進行全球直播。

　　望遠鏡獲取的大量寶貴的視頻和圖像資料表明，“雙小行星重定向測試”任務撞擊器成功擊中了目標，撞擊試驗產(chǎn)生了大量高速濺射物，雙小行星系統(tǒng)的亮度瞬間增加10倍以上，在撞擊后小行星形成了一條類似彗星“彗尾”的長達上萬千米的濺射物“尾巴”，表明撞擊試驗取得了高度成功，產(chǎn)生了較好的試驗效果。持續(xù)跟蹤監(jiān)測表明，撞擊試驗后，雙小行星系統(tǒng)的繞轉(zhuǎn)軌道周期從11小時55分縮短至11小時23分，顯著超出了預期目標。

　　除了開展行星防御試驗，“雙小行星重定向測試”任務還有其他收獲——突破了超遠程高速撞擊制導控制、非合作目標高精度自主導航、暗弱小天體探測識別等關鍵技術，開展了先進離子推進、卷軸式太陽能帆板等大量新技術試驗，具有極強的技術牽引性和帶動性，將推動深空探測、空間操作等領域的可持續(xù)發(fā)展。

　　例如，“雙小行星重定向測試”任務首次開展了新一代離子推進系統(tǒng)在軌試驗。離子推進系統(tǒng)具有極高的效率，相比傳統(tǒng)化學推進高出一個數(shù)量級，被認為是深空探測領域最有前途的推進方式之一。再比如，“雙小行星重定向測試”任務還首次在深空環(huán)境中開展了柔性卷軸式太陽能帆板試驗，可為電推進系統(tǒng)提供充足的能源。這項技術驗證的成功將提升小衛(wèi)星的能源供應能力，極大地提升小衛(wèi)星探索深空的能力。此外，“雙小行星重定向測試”任務還驗證了聚光太陽能電池陣列，比傳統(tǒng)太陽能電池陣列效率提升3倍，未來或可使得木星等外太陽系行星探測不再需要核電源供電，從而降低任務成本等。

　　　撞擊成功，人類并非可以高枕無憂

　　“雙小行星重定向測試”任務成功實施動能撞擊小行星試驗，開啟了人類行星防御征程的第一步，但距離人類能夠成功防御小行星尚有很大差距。

　　首先，“雙小行星重定向測試”任務是人類精心設計的一次針對已知目標的試驗?！暗业夏埂彪p小行星系統(tǒng)此前已經(jīng)開展了多年觀測，其軌道、大小、自轉(zhuǎn)等數(shù)據(jù),人類已經(jīng)基本掌握。而行星防御真正的場景很可能是面對“突襲”——一顆新發(fā)現(xiàn)的、即將撞擊地球的小行星。在這種場景下，小行星的軌道等特性可能并不完全確知，能否防御成功仍然需要打個問號。

　　其次，“雙小行星重定向測試”任務撞擊對象“狄莫弗斯”直徑僅為160米，其主星直徑為780米，目標比較大，那么，對于更小尺寸的小行星能否撞擊成功尚需要驗證。要知道，小行星尺寸越小，其亮度越暗弱，撞擊難度也越高。但在短時間內(nèi)，對地球威脅更大的是大量直徑20米~50米級近地小行星，其撞擊地球頻率更高，能否成功撞擊還需要進一步驗證。

　　再次，“雙小行星重定向測試”任務并沒有直接改變小行星相對地球的位置關系，而實際行星防御場景需要偏轉(zhuǎn)小行星相對地球的軌道，讓小行星距離地球更遠?！半p小行星重定向測試”采用的偏轉(zhuǎn)子星相對主星繞轉(zhuǎn)軌道的間接方式，效果與真實防御場景仍然有較大差別。

　　最后，以人類目前科技水平，在10年以及更短的預警時間內(nèi)，動能撞擊技術僅能有效偏轉(zhuǎn)直徑幾十米級近地小行星的軌道，對直徑百米級近地小行星，動能撞擊技術仍然難以有效偏轉(zhuǎn)其軌道。

　　保衛(wèi)地球，仍然任重道遠。人類仍然需要創(chuàng)新發(fā)展新型防御手段，對持續(xù)牽引等防御手段進行綜合驗證。

　　在保衛(wèi)地球的征程中，中國將作出更多貢獻。2021年，中國國家航天局局長張克儉在中國航天日上表示：“站在新的歷史起點，中國航天將論證實施探月工程四期、行星探測工程、建設國際月球科研站和近地小行星防御系統(tǒng)，拉開新時代探索九天的新序章?！?022年，中國國家航天局副局長吳艷華介紹，中國將著手構建近地小行星防御系統(tǒng)，并計劃在2025年或者2026年實施一次動能撞擊防御小行星實驗。這意味著中國近地小行星防御系統(tǒng)已經(jīng)進入實操階段。

　　相信未來，中國一定可以在行星防御領域有所作為，為構建人類命運共同體、保衛(wèi)地球生命安全貢獻中國智慧、中國方案和中國力量。