作者：李明涛(中国科学院国家空间科学中心研究员)。
小行星撞击地球是小概率事件，但对地球生物的影响可能是毁灭性的——。 据推测，可能是小行星撞击地球引起的。 到目前为止，人们可以推测小行星的轨道，用望远镜可以找到可能对地球造成威胁的“危险分子”。 目前，人类保护地球的能力更上一层楼：北京时间2022年9月27日，美国“双小行星重定向测试( DART )”任务在距离地球约1100万公里处，以约6.3公里/秒的速度进行演示( Didymos )
小行星的碰撞，来自宇宙的威胁
近地小行星是指轨道近日点距离在1.3Au (天文单位，等效日平均距离，约1.496亿km )以内的小行星。 近地小行星在绕太阳运行的过程中会被木星等大行星的引力所吸引，有撞击地球的风险。 近地小行星碰撞是人类社会面临的共同威胁和长期挑战，一旦1000米级近地小行星撞击地球，不仅会带来巨大的碰撞灾害，还可能引起气候环境灾害和物种灭绝等严重后果。
据科学家考证，地球历史上发生了22次不同规模的物种灭绝，至少有10次与小行星的地球碰撞有关。 一位科学家认为6500万年前，直径10公里的近地小行星撞击了北美墨西哥湾地区。 巨大的碰撞能量在海底形成直径约180公里的陨石坑，大量的海底物质被投射到空中。 炽热的碰撞溅射引发全球森林火灾，燃烧的灰烬和溅射的尘埃云进入平流层，遮住大部分阳光，全球温度骤降，植物光合作用受到影响，造成地球气候环境灾害，最终导致包括恐龙在内的世界70%的物种灭绝
在这次冲突中统治地球1亿6000万年的恐龙从地球舞台上消失了，是地球历史上白垩纪结束和新生代开始的分水岭。 这次撞击事件后，体型小、资源消耗少的哺乳动物逐渐适应恶劣的环境，向着地球舞台的中央，发展了今天高度发达的人类文明。
小尺寸的近地小行星撞击地球也可能引起显著的危害—2013年，一颗小行星“袭击”了俄罗斯车里雅宾斯克地区。 “造成事故”的小行星直径仅为18米，但仍有近1500人受伤，3000所房屋受损。 太阳系中有数百万个这样的近地小行星，99%以上还没有被发现。
由此可见，开展行星防御是保护人类自身、延续人类文明、保护人民生命财产安全的必然要求，也是宇宙人类命运共同体的重要体现。
开启行星防御时代
如何解决小行星撞击地球的危险？ 这是世界天文学家们关注的焦点。 “双小行星重定向测试”任务无疑是近年来最具挑战性、最成功的尝试。 该任务由美国行星防御协调办公室( PDOC )成立资助，约翰斯霍普金斯大学应用物理( APL )实验室负责研发，总投资约3.9亿美元，其前锋发射重量约610公斤，北京时间2021年12月24日猎鹰9号运载火箭
其目标是在深空环境中开展动能碰撞小行星试验，测试动能碰撞防御技术，评估碰撞后小行星轨道偏转效应，以掌握小行星轨道偏转规律，为未来抗近地小行星碰撞风险任务设计提供依据。 这是人类首次行星防御验证任务，标志着人类开启了行星防御时代，象征着意义重大。
难点有很多。 “双小行星重定向测试”任务设计的最大挑战之一是正确评估碰撞后小行星的轨道偏转效应。 小行星主要由岩石、金属等材料组成，一般直径百米级的近地小行星重量可达百万至千万吨，而人工冲击器的重量在几百公斤至几千公斤之间，两者的重量相差6~7个数量级。 虽然撞击速度接近每秒10公里，但撞击后小行星轨道速度的变化量1毫米/秒( mm/s ) ——，以人类现有的天文观测能力可能还不够，因此，正确评价撞击后近地小行星的轨道偏转效应，认识小行星轨道偏转规律，是动能
“双小行星重定向测试”的任务是选择试验对象为“迪莫斯”的双小行星系统，巧妙地解决了碰撞偏转效果的评价课题。 双小行星系是太阳系广泛存在的小行星构型之一，直径超过300米的小行星中约有15%为双小行星构型或多小行星构型。 在双小行星系统中，子星在主星的引力作用下，在绕主星的轨道上运行。 毫秒级撞击速度的变化量虽然不能显著改变小行星绕太阳运行的轨道，但足以改变子星相对于主星的运行轨道，导致子星相对于主星的运行周期发生变化。 另一方面，子星相对于主星的周期性运动改变了反射的太阳光束，用望远镜连续观测双小行星系统，可以测量双小行星系统亮度的周期性变化，正确评价碰撞后双小行星系统的周期性变化量。
“迪莫斯”双小行星系统包含两颗小行星，主星“迪莫斯”直径约780米，子星“迪莫斯”直径约160米，两者相距约1.2公里，共同绕太阳运行在轨道上子星“演示面”像时钟一样，每隔约11.9小时绕着直径约780米的主星一圈。 “双小行星重定向测试”任务期望通过“拦截”改变子星相对于主星的轨道，缩短绕星周期约10分钟。
为了评估碰撞效果，詹姆斯韦伯太空望远镜、哈勃太空望远镜、“露西”小行星探测器和“金石”雷达、ATLAS、甚大望远镜等太空望远镜和地面望远镜在碰撞前后进行了持续观测监测，并进行了全球广播。
望远镜获得的大量珍贵视频和图像资料显示，“双小行星重定向测试”任务前锋成功瞄准目标，撞击试验产生大量高速飞溅物，双小行星系统亮度瞬间增加10倍以上，撞击后小行星长达彗星“陀螺尾”般上万公里经过持续跟踪监测，碰撞试验后，双小行星系统的轨道周期从11小时55分缩短到11小时23分，超出了预期。
除行星防御试验外，“双小行星重定向测试”任务还有其他成果，——突破了超远程高速碰撞制导控制、非合作目标高精度自主导航、暗弱小天体探测识别等关键技术，开展了先进的离子推进、卷筒式太阳能电池板等多项新技术试验，实现了极小目标
例如，“双小行星重定向测试”任务首次开展了新一代离子推进系统的轨道试验。 离子推进系统具有非常高的效率，比传统的化学推进高出一个数量级，被认为是深空探测领域最有前景的推进方式之一。 例如，“双小行星重定向测试”任务还将首次在深空环境中开展柔性卷筒太阳能电池板试验，为电力推进系统提供充足能源。 该技术验证的成功将提高小卫星的供能能力，大大提高小卫星探索深空的能力。 “双小行星重定向测试”任务还验证了聚光太阳电池阵列比传统太阳电池阵列的效率提高了3倍，未来木星等外太阳系行星探测不再需要核电源，可以降低任务成本等。
即使冲突成功，人类也不是可以放心的。
“双小行星重定向测试”任务成功实施动能碰撞小行星试验，迈出了人类防御行星的第一步，但距离人类能防御小行星还有很大差距。
首先，“双小行星重定向测试”的任务是对人类精心设计的已知目标的实验。 “迪莫斯”双小行星系统迄今已开展多年观测，其轨道、大小、自转等数据人类已基本掌握。 行星防御的真正场景很可能是面对——新发现的、撞击地球的小行星。 在这种情况下，小行星的轨道等特性可能不完全清楚，但防御是否成功还需要问号。
其次，“双小行星重定向测试”任务的目标飞行器直径仅为160米，主星直径为780米，目标比较大。 那么，更小尺寸的小行星撞击是否成功还有待验证。 要知道，小行星的尺寸越小，亮度越暗，撞击难度也越大。 但短时间内，对地球威胁更大的是直径20米~50米级的近地小行星，撞击地球的频率更高，能否成功撞击还需要进一步验证。
再次，“双小行星重定向测试”的任务不是直接改变小行星相对于地球的位置关系，而是在实际的行星防御场景中需要偏转小行星相对于地球的轨道，使小行星离地球更远。 “双小行星重定向测试”采用偏星对主星绕轨的间接方式，与实际防御场景效果依然存在较大差异。
最后，以人类现有科技水平，在10年以下预警时间内，动能碰撞技术只能有效偏转直径几十米级的近地小行星轨道，对于直径百米级的近地小行星，动能碰撞技术仍然难以有效偏转轨道。
保护地球，仍然很重要。 人类仍然需要创新发展新的防御手段，综合验证持续牵引等防御手段。
在保护地球的漫长道路上，中国将会做出更多的贡献。 2021年，中国国家航天局局长张克俭在中国航天日表示，站在新的历史起点上，中国航天将论证探月工程四期、行星探测工程实施、国际月球科研工作站和近地小行星防御体系建设，开启新时代九天探索新序章。 2022年，中国国家航天局副局长吴艳华介绍，中国将着手建立近地小行星防御体系，计划在2025年或2026年开展动能碰撞防御小行星试验。 这意味着中国的近地小行星防御体系已经进入实操阶段。
我相信，未来中国一定能在行星防御领域有所作为，为构建人类命运共同体、保护地球生命安全贡献中国智慧、中国方案和中国力量。
《光明日报》 ( 2022年11月17日第16版( ) )。
资料来源：光明网- 《光明日报》
