DART的史诗般的小行星撞击：美国国家航空航天局5个月后学到了什么

2022年9月26日，在撞击前不到两分钟，DART拍摄了小行星Dimorphos。

(Image credit: NASA/JHUAPL)

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（By Sharmila Kuthunur）：美国宇航局的双小行星重定向测试(DART)任务有两个主要目标:表明小行星可以在高速相遇中成为目标，并证明目标的轨道可以改变——如果危险的太空岩石迎面而来，天文学家希望将这项技术用于行星防御。

“DART已经成功地做到了这两点，”天文学家在一项新的研究中报告说。

该任务的巨大成功表明，像DART这样的“动能撞击器”是一种“必要时潜在保护地球的可行技术”，研究人员在另一项新研究中指出。

这两项研究是周三(3月1日)在线发表在《自然》杂志上的五篇DART论文中的一部分。

在这五项研究中，天文学家分享了该任务的其他发现，使用的数据是探测器在2022年9月26日与2560英尺宽(780米)的小行星迪狄莫斯的卫星迪莫尔福斯碰撞之前以及碰撞后发送回家的数据。

最新的结果集中在重建DART的最后时刻；精确计算航天器改变其目标轨道的程度；迪莫尔福斯令人费解的双尾；以及全球公民科学望远镜网络捕捉到的关键任务时刻。

虽然研究人员仍在研究DART数据，但他们已经在开发一个续集任务:欧洲航天局的Hera航天器，计划于2024年10月发射，两年后到达Didymos。

预计赫拉将详细研究迪狄莫斯-迪莫尔福斯系统，包括达特俯冲形成的陨石坑。

"这种情况对于行星探索来说是罕见的，非常令人兴奋！"约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的行星科学家卡罗琳·恩斯特是其中一项研究的合著者，她在一封电子邮件中告诉Space.com。

DART最后时刻的细节

研究人员在新论文中报告说，在撞击前一个月，DART探测器开始每五个小时向家里发送一次照片，这些照片由地面光学导航小组处理。

大约在撞击前四个小时，研究人员将控制权移交给DART，并允许它使用其自主智能导航系统进行导航，该系统还处理船上的图像，首先识别Didymos，然后识别Dimorphos。

研究小组已经知道，在这段时间的大部分时间里，Dimorphos将隐藏在航天器的视野之外，所以他们让DART向Didymos移动，直到它能够探测到Dimorphos，这是两者中较小和较暗的一个，研究人员说，它在撞上它之前73分钟做到了。

恩斯特说:“第一次看到它真是太棒了——以前从来没有人获得过清晰的迪莫尔福斯图像。

这张照片显示，迪莫尔福斯的表面布满了巨石，类似于由碎石堆成的小行星，如Ikotawa、贝努鸟或Ryugu。

研究人员在五项新研究中的一项中指出，大约在坠毁前2.5分钟，DART探测器停止机动以稳定下来，并减少最终图像中的抖动和模糊。

在整个阶段，航天器每秒钟点击一张图像，包括其撞击点的照片，一片覆盖9472平方英尺(880平方米)的二形态——这是它在按计划坠入小行星上的两个大石块之间之前1.8秒发送回家的最后一件事。

DART以73度角接近Dimorphos，并使其太阳能电池阵列略微倾斜，因此探测器在撞击前擦过其中一个巨石。

在这项任务之前，研究人员对二形态化石的样子几乎一无所知——它可能是从一堆碎石到一块大石头的任何东西。

使用DART的数据，研究人员在一种称为立体摄影测量的技术的帮助下模拟了小行星的形状，这种技术通常用于模拟小天体的形状。

他们发现Dimorphos是一个扁球体，像一个橄榄球，直径为580英尺(177米)。

“很明显，它看起来像一堆石头！”她补充说，她对这颗小行星看起来有多椭圆感到惊讶。

恩斯特说，她的团队正在研究新的模型和实验，以更好地了解DART撞击期间到底发生了什么，以及该事件如何改变小行星的轨道和旋转，所有这些对于将这种动力学撞击技术应用于行星防御来说都是必不可少的。

“还有很多很多东西要学，”她说。

撞击是如何如此戏剧性地改变了Dimorphos的轨道

当DART撞上Dimorphos时，飞船按照设计撞上了Dimorphos的主半球，即岩石绕太阳运行时面向前方的半球。

研究人员以这种方式计划撞击，以便最大限度地将动量从航天器转移到小行星，帮助推动它更接近土卫二。

此前，这颗小行星每隔11小时55分钟绕狄莫斯一周。

天文学家在2022年10月宣布，DART成功地将Dimorphos的轨道缩短了32分钟，其中一项新的研究将这一时间调整为33分钟。

想象一下这种影响就像在太空中打台球一样:一个固体航天器撞上了一个固体小行星，没有任何物质被喷射出来。

在这种情况下，研究人员预计DART将从Dimorphos的轨道上减去7分钟。

(DART只需将轨道周期缩短73秒，就被誉为成功。

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然而，如果小行星被证明是一堆相对松散的岩石，研究人员估计轨道变化要高得多，高达40分钟。

一项新的研究发现，当DART坠入Dimorphos时，它证实了后一种情况:至少220万磅(100万公斤)的爆炸物质提供了额外的动量，这是将小行星的轨道周期缩短33分钟的关键。

“我和团队中的许多人一样，惊讶地发现如此大的动量转移，”安德鲁·程(Andrew Cheng)在一封电子邮件中告诉Space.com，他是这项研究(在新选项卡中打开)的主要作者，该研究测量了DART向Dimorphos的动量转移。

研究人员已经预测到这可能会发生，所以这并不完全是一个惊喜——但仍然令人兴奋。

爆炸物质的作用类似于一把被触发的枪:由于后坐力，它向后踢向迪莫尔福斯，增加了转移到小行星上方的动量，超过了达特的质量和速度本身可能产生的影响。

当探测器接近小行星系统时，研究人员使用DART的DRACO仪器记录了Didymos和Dimorphos相对于彼此的位置。

北亚利桑那大学的天文学家、一项最新研究的合著者克里斯蒂娜·托马斯(Cristina Thomas)在一封电子邮件中告诉Space.com，这些图像包括DART的最后时刻，是对分析的“一个奇妙的补充”。

研究小组在研究中指出，利用来自七大洲望远镜的数据，计算了Dimorphos轨道33分钟的变化，“尽管在我们所有的观察中都存在喷出物”。

研究小组还发现，DART的坠毁并没有改变Didymos围绕小行星duo质心的轨道周期，仍然是2.26小时。

这项测试是第一次也是迄今为止唯一一次表明我们可以使用像DART这样的动能撞击物来偏转小行星。

由于许多小行星都是类似的岩石碎片堆，研究人员表示，像DART这样的航天器撞击产生的物质会导致显著的额外动量，从而导致目标发生更大的偏转。

“这意味着我们可以在更短的预警时间内改变小行星的路径，”托马斯说。

"如果我们需要转移一个真实的目标，这个事实将会非常重要。

"

神秘的孪生尾巴仍然无法解释

我们知道十几个活跃的小行星，它们是太空岩石，看起来像小行星，但行为像彗星，尾巴有时会延伸100万英里(160万公里)。

虽然天文学家认为小行星碰撞可能导致了这些特征，但他们从未直接观察到这一过程。

因此，当DART撞上Dimorphos时，研究人员有一个罕见的前排座位来观看它冲出小行星时喷射出的碎片。

根据一项新的研究(在新标签中打开)，该小组使用哈勃太空望远镜对撞击后15分钟开始的喷出物进行了18.5天的成像。

撞击后不久，喷出的物质变形为类似圆锥的形状，各种大小的岩石块飞到距离小行星310英里(500公里)远的地方。

研究人员说，这些不均匀的喷出物表明，双形态行星可能有一个砾石表面，但内部是碎石堆。

碰撞三小时后，第一个尘埃尾以与喷出物圆锥体相反的方向出现，来自太阳的辐射将其拉伸了930多英里(1500公里)——以至于“超过了我们图像的空间覆盖范围，”研究人员在研究中指出。

他们在10月2日和10月5日之间观察到了第二个尾巴形式，散射尘埃的增加降低了Didymos系统的整体亮度。

研究小组追踪这条尾巴，直到两周半后它消失。

虽然天文学家知道一些有双尾的小行星，但他们没想到双生子会炫耀它们。

“当我第一次看到这些图像时，”亚利桑那州图森市行星科学研究所的天文学家、该研究的第一作者李建阳在一封电子邮件中告诉Space.com，“我觉得我的眼睛在欺骗我，或者图像可能有一些问题。

虽然研究人员还不知道双尾是如何形成的，但李说，这可以解释为一些被炸开的岩石再次撞击双尾或双尾，或者更大的岩石碰撞，然后分裂成小块。

李说，直径几厘米的较小喷射粒子可能会在Didymos-Dimorphos系统中悬浮几个月，而较大的粒子可能会存在更长时间，只要它们不撞击Didymos或Dimorphos，或者离它们太近。

从哈勃太空望远镜的图像中可以看到从Didymos-Dimorphos小行星系统喷射出的两条尘埃尾巴，记录了美国宇航局2022年9月26日双小行星重定向测试(DART)影响的挥之不去的后果。

(Image credit: NASA, ESA, STScI, Jian-Yang Li (PSI); Image Processing: Joseph DePasquale)

公民天文学家捕捉到DART坠毁的关键时刻

虽然这项任务是少数几个依靠地面观测成功的任务之一，但在DART坠毁时，地球上很少有地方能看到Didymos系统。

因此，尽管这项任务很重要，“天文学家不能只是动用他们最好的望远镜(比如夏威夷的凯克望远镜)来观察它，因为他们没有在正确的时间出现在正确的地点，”加利福尼亚州山景城SETI(搜寻外星智慧生物)研究所的天文学家阿里尔·格雷科夫斯基在一封电子邮件中告诉Space.com。

天文学家还担心双态星云移动得太快，哈勃甚至强大的詹姆斯·韦伯太空望远镜都无法捕捉到好的图像。

幸运的是，两台望远镜同步工作，记录了宝贵的数据。

但是他们的观测被延迟了至少15分钟，因此没有包括撞击时的图像。

因此，印度洋留尼旺岛和肯尼亚内罗毕的市民天文学家使用Unistellar eVscope，这是在DART坠毁期间观察Didymos系统的最小望远镜之一。

根据得到的数据，研究小组估计尘埃云的质量是双耳蝠的0.3%到0.5%。

“这个望远镜网络是最好的工具，甚至可能是实现这一目标的必要工具，”Graykowski说，他是一项研究(在新选项卡中打开)的主要作者，该研究报告了使用公民科学望远镜对DART撞击的观察(在新选项卡中打开)。

Graykowski说，她的团队还发现，这次撞击使系统的亮度增加了2.29倍，或近10倍，以至于有人猜测Dimorphos分裂了。

两周多一点后，小行星恢复了原来的亮度，研究结果证实了Dimorphos是安全和健康的，尽管质量较小。

"这很好，因为目标是偏转小行星，而不是摧毁它！"格雷科夫斯基说。

除了系统亮度增加之外，她的团队还注意到，在达特跳入水中后不久，迪蒂莫斯稍微有点发红。

Graykowski说，这种颜色的变化可能是因为我们对厚尘埃云的视角或者它的辐射物质。

研究人员在美国宇航局的深度撞击飞船撞上坦普尔1号彗星时，在厚厚的尘埃云中看到了类似的变红效应，一旦尘埃云消退，彗星的颜色就会恢复正常。

Graykowski说，这项新的研究是SETI研究所的八名天文学家和许多公民科学家之间的合作，从业余爱好者到物理学和天文学教授，他们自愿分享他们对DART影响的观察。

“宇宙公民天文学家绝对是这项工作背后的驱动力，”Graykowski说。

“在接受(论文)后，我们都同意在我们各自的世界里用一块奶酪蛋糕来庆祝！”