DART撞上小行星的卫星会不会导致它乱滚?

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  2021年11月,美国宇航局将启动一项大胆的任务,以测试一项技术,这项技术用于将有潜在危险的小行星推离可能影响地球的轨道。被称为DART-双小行星重定向测试——500公斤的航天器将以超过每小时23,000公里的速度撞向小行星的卫星,将卫星的速度改变一小部分。

 (DART-自主交会技术验证Demonstration of Autonomous Rendezvous Technology)

  这个想法是,如果我们发现一颗小行星朝我们飞来,未来类似DART的航天器可以撞击它,并改变其速度,随着时间的推移,它与地球擦身而过。

 

  有趣的是,刚刚发表的一篇新论文指出,这次撞击可能会产生一个以前无法预见的结果,导致卫星在围绕母小行星运行时开始翻滚。如果发生这种情况,我们不会有任何危险,但它可能会使欧空局计划在卫星上降落一对小型探测器的任务复杂化。它也可能对小行星系统产生更长期的影响。

 

*2003年,在接近小行星Didymos(大天体)的过程中,经过四天的雷达观测,显示它被一颗较小的卫星Dimorphos(亮点)所围绕。请注意卫星运行时的运动情况。资料来源:阿雷西博天文台/NASA/NSF

 

  这颗小行星是一个双星系统,一块名为Didymos宽780米的大石头,由一颗较小的160米的卫星Dimorphos*绕行(*Didymos在希腊语中意为 "双胞胎",Dimorphos意为 "有两种形态",代表撞击后轨道将发生变化。)。它们一起在一个椭圆轨道上移动,距离太阳约1.5亿英里到3.4亿英里。这一轨道可能使它们进入地球600万公里范围内,因此它们被归类为具有潜在危险的小行星,即大于140米宽的,距离地球750万公里范围内的小行星。

  如此近距离的相遇并不经常发生(换句话说,在可预见的未来,这对组合对于我们是安全的),但是在2022年10月,它们将经过离我们不到1100万公里的地方,这是很近的距离。并非巧合,这也是DART任务选择的撞击Dimorphos的日期--那样的话,地球上的望远镜就会有尽可能清晰的视野(想来DART也会有一个较小的探测器,在撞击前部署,观察整个事件并向地球发送数据--使这个任务都是关于双星的)。

 

  Dimorphos每隔11.9小时绕着Didymos运行一次。这次撞击应该相当于爆炸大约3吨TNT炸药,预计将使卫星的轨道速度每秒仅改变约半毫米,足以使轨道周期缩短几分钟。DART将使用机载摄像头自主导航,瞄准卫星中心。这在以前从未做过,但对于未来任何可能的撞击小行星的任务来说都是至关重要的;我们撞击的小行星离地球越远,它就有更多的时间来移开,这意味着由于光速延迟,从地球上指挥它可能是不可能的。

 

 

*双子星Didymos和Dimorphos撞击前后的轨道示意图。资料来源:NASA/Johns Hopkins APL

  这种想法由来已久--被称为 "动能撞击器",我在几年前的TED演讲中提到过它--甚至在2005年猛烈撞击一颗小彗星的 "深度撞击 "任务中也得到了实施。但DART将测试各种新技术,这些技术将使这样的任务更加可靠。

  不过,新的研究关注的不是Dimorphos的轨道,而是卫星本身会发生什么。科学家们使用了数学分析和计算机模拟来观察撞击后卫星的行为会发生什么。他们发现,在许多情况下,卫星可能开始混乱地翻滚。轨道只会有一点变化,但卫星本身在运行过程中可能开始改变方向。如果你曾经看过一个玩具陀螺,当它慢下来的时候,旋转轴先是开始转圈,然后就在它停止之前,轴会到处乱晃。

  慢慢开始,卫星会有一点倾斜,但这将随着时间的推移而增长。因为卫星不是一个完美的球体,它将因为撞击而失去平衡。它不会简单地翻倒,而是开始以一种难以预测的方式翻滚。

 

  这就像网球拍定理。你可以沿网球拍的长轴旋转,或者平旋,但将它翻转过来,它就会翻滚,经历一个半旋转。这也可以用一本书,或任何有三个不同对称轴的物体来做。

 

 

 

*DART航天器、小行星Didymos及其卫星Dimorphos的大小与各种地标的比较。资料来源:NASA/Johns Hopkins APL

  卫星仍能很好地围绕Didymos运行,两者围绕太阳的综合轨道将基本保持不变。但是这种翻滚可能会产生一些有趣的影响。

 

  欧洲航天局正准备向这颗小行星发射一项名为Hera的后续任务。它将于2024年发射,2026年到达,它将在这对小行星的轨道上运行一段时间,以非常仔细地检查卫星的轨道,看看它被撞击后的变化程度。它还将带着两个小型探测器,近距离检查卫星,然后尝试在卫星上降落。如果Diorphos正在翻滚,事情就会变得复杂,更难确切地知道怎么最大限度地降低着陆速度,并可能改变探测器的着陆位置。

  

 

 

  从长远来看,它可能会影响卫星的轨道。Didymos的引力很弱,但是它对Dimorphos施加的潮汐力应该倾向于使其对齐,使卫星的长轴正好指向Didymos。这种情况在撞击后可能会改变。如果是这样的话,潮汐就会对卫星施加一个扭矩,试图让它再次对齐。由于潮汐的作用,一个物体的自旋和它的轨道之间存在着复杂的相互作用(例如,地球的潮汐正导致我们自己的卫星月球每年从后退大约4厘米),所以当来自Didymos的潮汐作用于Dimorphos时,卫星可能后退或接近它的母体,这取决于翻滚的确切条件。虽然这种变化会很小,但随着时间的推移,通过多年的累积它可能是可以测量的。

 

*显示DART任务撞击小行星Didymos的小卫星Dimorphos的概念图。资料来源:NASA/Johns Hopkins APL

 

  同样,这对两者围绕太阳的轨道应该没有影响,所以这并没有使我们面临撞击的危险。但它确实表明撞击可能会带来意想不到的后果。

   

 

 

  而这正是这次任务的全部意义所在。当然,这是为了测试技术,以确保我们能在小行星朝我们飞来的时候做到这一点,但在我们尝试时,看看还会发生什么也是一件好事。也许在尝试时还会发生一些别的预想不到的情况——如果卫星是一个瓦砾堆呢?如果DART的撞击偏离中心,或比预测的速度慢或快,等等,该怎么办?

 

  如果我们已经知道将发生的一切,我们就不需要进行这样的实验。用一个相对安全的小行星来检验这一切,总比当地球处于危险之中时不得不这样做要好。

 

  

 

 

  (独家编译:科幻世界)

 

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