“倒黴”的小行星

2022年9月27日，美國宇航局的“雙小行星重定向任務（DART）”撞擊器，於距離地球約1100萬千米的深空中，以6.15千米/秒的驚人速度，猛烈撞擊了一顆名爲“狄莫弗斯”的“無辜”小行星。

圖1 “狄莫弗斯”小行星（圖片來源：NASA）

說它“無辜”，是因爲這顆小行星原本像一個安靜的“鴨蛋”，其尺寸約爲177米×174米×116米，與直徑780米的“狄迪莫斯”共同構成了一個雙小行星系統。在這個系統中，“狄莫弗斯”是較小的那一顆，它像一個精準的“鐘錶”，每11小時55分鐘圍繞“狄迪莫斯”轉一圈，在未來幾百年內，對人類並無直接威脅。

爲啥要撞它？科學家：對不起了，爲了保護地球，拿你做個實驗。

圖2 “雙小行星重定向測試”任務（圖片來源：NASA）

美國宇航局的科學家們精心策劃了這次迎頭撞擊，旨在給這顆小行星施加一個“剎車”，從而縮短其相對“狄迪莫斯”的繞轉週期。當高速撞擊發生時，小行星迸發出大量的石塊和塵埃。這些濺射物不僅極大地增強了撞擊的效應，而且它們所帶來的動量改變量遠遠超過了撞擊器本身帶來的動量，爲這次任務帶來了意想不到的效果。

圖3 動量傳遞因子β示意圖

【撞擊體與小行星完全融合，不產生任何濺射物，則動量傳遞因子爲1；撞擊產生濺射物，類似火箭“噴射”物質獲得加速，爲小行星帶來撞擊之外的額外動量，則動量傳遞因子＞1】

科學家們引入了動量傳遞因子β，以量化小行星動量改變量與撞擊器動量之間的比值（示意圖附上）。β值的高低直接反映了濺射物產生的額外動量的大小，以及其對處置效果的影響程度。在實際撞擊中，濺射物所帶來的動量可能是撞擊器動量的數倍，對處置效果具有極其重要的影響。

β值與多個關鍵因素密切相關，包括撞擊器的設計參數、撞擊速度、撞擊角度，以及小行星的結構參數和材料特性參數等。然而，由於空間尺度和微重力等特殊條件的限制，我們在地面環境中難以直接進行相關的實驗測量，因此對這些因素如何影響β值的具體規律尚不完全明確。

科學家們可以通過觀測雙小行星系統反射太陽光的變化曲線，精確地獲得小行星的繞轉週期。這一數據爲評估撞擊試驗對小行星軌道的改變量提供了關鍵依據，並最終幫助科學家推算出動量傳遞因子的大小。這也是DART任務選擇雙小行星系統作爲目標的重要原因之一，因爲它提供了一個獨特的機會來驗證動量傳遞因子的測量方法。

爲了全面評估這次試驗，科學家們利用地面望遠鏡、空間望遠鏡以及DART任務釋放的LICIACube立方星進行了全方位的觀測。結果令人震驚：撞擊後，雙小行星系統的繞轉週期縮短了33分鐘，遠超預期的10分鐘。這一重大發現首批成果已於2023年3月發表在《自然》期刊上，引起了全球科學界的廣泛關注。這次試驗不僅爲我們提供了寶貴的實踐經驗，還極大地增強了人們防禦小行星的信心。因此，《科學》期刊將其評爲2022年度世界十大科學突破之一。

儘管這次試驗取得了令人矚目的成果，但科學家們並未停止探索的腳步。觀察了“怎麼樣”，還要研究“爲什麼”。他們仍在深入研究爲何這次試驗效果如此顯著超出預期，以期爲未來的行星防禦任務提供更加可靠的設計依據。

小行星：其實我很“脆弱”

怎麼研究呢？計算機仿真模擬。在最新一期《自然▪天文學》雜誌上，瑞士伯爾尼大學的青年科學家S. D. Raducan領導的國際團隊，以試驗觀測數據爲約束，利用光滑粒子流體動力學（SPH）仿真方法，深入探究了小行星的表面材料和結構特性。

此前，科學家已經通過觀測試驗數據確定了動量傳遞因子的上限和下限。LICIACube立方星在撞擊後的29-320秒內捕捉到了濺射物的圖像，這爲研究團隊提供了濺射物相對於小行星撞擊點的發散錐角的寶貴數據。

圖4 LICIACube立方星在撞擊後捕捉到了濺射物的圖像（圖片來源：Nature Astronomy）

光滑粒子流體動力學仿真是一種先進的數值仿真技術，它將撞擊器和小行星模擬爲一系列相互作用的粒子，從而模擬超高速撞擊過程。這種方法能夠對動量傳遞因子、濺射物發散錐角等關鍵物理參數進行仿真。

通過將仿真結果與試驗觀測數據進行對比，研究團隊找到了與觀測數據最爲吻合的仿真模型，從而限定小行星的密度、孔隙率、內聚強度和結構等特性。

圖5 動量傳遞因子約束了小行星的密度不超過2400 kg/m3並且內聚強度極低（圖片來源：Nature Astronomy）

從光譜類型來看，這顆小行星與L型或LL型隕石最爲接近，其顆粒密度範圍在3200-3600 kg/m3之間。然而，令人驚訝的是，通過觀測數據約束，研究團隊發現這顆近地小行星的密度可能不超過2400 kg/m3。這意味着這顆小行星內部可能極爲鬆散，具有較高的孔隙率。

與我們通常想象的小行星——一塊堅固的巨石不同，這顆小行星很可能是由一堆碎石組成。仿真研究還揭示出這顆小行星的內聚強度可能僅爲幾帕。這意味着其內部石塊之間的粘聚力非常微弱，甚至低於黃土的粘聚力。看看開頭的圖，可以想象它是個碎石堆嗎？

與觀測數據最爲吻合的仿真模型中，小行星的密度被確定爲2200 kg/m3，而其內聚強度更是低至幾帕以下。這進一步證實了這顆小行星的極端脆弱性。因此，撞擊過程中產生的大量濺射物導致雙小行星的繞轉週期顯著縮短，遠超預期效果。

“造型”可能被撞壞了

長久以來，人們普遍認爲小行星在受到撞擊後會形成一個明顯的撞擊坑。但對於這顆“脆弱”的小行星，撞擊之後會形成撞擊坑嗎？

在考慮了小行星的密度和內聚強度後，科學家通過光滑粒子流體動力學進行了深入分析。仿真結果令人驚訝：撞擊並不會在小行星上形成傳統的撞擊坑，而是導致其表面被“推平”（下圖6）。小行星的內聚強度越低，這種被“推平”效果越爲顯著。

圖6 “狄莫弗斯”表面被“推平”（圖片來源：Nature Astronomy）

如果小行星的內聚力完全消失，變得如同乾燥的沙子一般，那麼撞擊方向的表面可能會被“推平”高達20%。這意味着這顆原本形如“鴨蛋”的小行星，在撞擊後將變爲一個“平頭”，其原有的“造型”被徹底破壞。

圖7 小行星表面被“推平”過程仿真（圖片來源：Nature Astronomy）

因此，當2027年歐空局的“赫拉”探測器再次造訪這個雙小行星系統時，它很可能不會發現由DART撞擊器造成的傳統撞擊坑，取而代之的將是一個經過重新“塑身”的小行星。

這一發現無疑將顛覆我們對小行星撞擊後形態變化的傳統認知，爲我們帶來新的啓示和思考。

“身世”暴露了

雙小行星系統中的主星“狄迪莫斯”以其約2.26小時的自轉週期引人注目，維持如此高速的自轉需要其內聚強度達到幾十帕的級別。然而，根據光滑粒子流體動力學的仿真研究，其子星“狄莫弗斯”的內聚強度卻不超過幾帕，這一顯著差異可能揭示了這兩顆小行星的不同“身世”。

科學家們推測，“狄莫弗斯”小行星很可能是從“狄迪莫斯”小行星在自旋或撞擊過程中拋射出的濺射物重新吸積而成的。在這個過程中，由於光壓的作用，較細的顆粒可能會逃逸，導致“狄莫弗斯”小行星缺乏這些細顆粒。內聚力主要由小行星顆粒間的範德華力形成，而細顆粒可以提供相對更大的接觸面積和更強的內聚力。因此，“狄莫弗斯”小行星由於缺少細顆粒，其內聚力極低，結構顯得極爲“脆弱”。

圖8 小行星的自轉“禁區”（圖片來源：The Astronomy and Astrophysics Review）

值得注意的是，對於百米及以上尺寸的近地小行星，觀測數據揭示了一個自轉週期約爲2.2小時的“禁區”：幾乎所有此類尺寸的小行星自轉週期都大於2.2小時。科學家們認爲，自轉速度超過這一閾值可能會導致小行星解體。考慮到“狄迪莫斯”小行星的自轉週期正好位於這一自轉“禁區”的邊緣，這進一步支持了“狄莫弗斯”小行星是由“狄迪莫斯”自轉分離出的濺射物重新吸積而成的觀點。

對我國小行星防禦任務有何啓示？

在2023年中國航天日上，我國深空探測實驗室發佈了我國首次小行星防禦在軌驗證任務方案。按照計劃，我國擬於2030年前對一顆直徑大約30米的近地小行星實施撞擊試驗。任務目標不僅要偏轉小行星軌道，也要完成效果評估，從而爲保衛地球安全貢獻真正的中國力量。

圖9 我國首次小行星防禦任務示意圖（圖片來源：《調皮的小行星》）

這次發表的DART任務的科學結果對我國小行星防禦任務設計提供了寶貴的啓示。小行星的結構與材料特性對撞擊效果具有重要影響。有可能，小行星可能並非我們傳統認知中的堅固巨石，而是一堆以微弱粘聚力堆砌在一起的碎石。更值得關注的是，小行星被撞擊後，可能不是形成撞擊坑，而是被撞壞了“造型”，甚至可能會被徹底“撞碎”。這些都是我們需要在任務設計與實施時，需要謹慎考慮的問題。

參考文獻:

[1]Raducan, S.D., Jutzi, M., Cheng, A.F. et al. Physical properties of asteroid Dimorphos as derived from the DART impact. Nat Astron (2024). https://doi.org/10.1038/s41550-024-02200-3

[2]Hestroffer, D., Sánchez, P., Staron, L. et al. Small Solar System Bodies as granular media. Astron Astrophys Rev 27, 6 (2019). https://doi.org/10.1007/s00159-019-0117-5

作者：李明濤周琪

作者單位：中國科學院國家空間科學中心