人类首次证明自己可以改变一块巨大岩石在太空中飞驰的路径。2022年9月26日，一艘由美国国家航空航天局（NASA）发射的航天器撞上一颗小行星，成功地改变了这颗围绕另一颗小行星转动的太空岩石的轨道，其改变幅度超出了科学家所预测的名义量。虽然这两颗小行星并没有对地球构成威胁，但NASA的这一操作证明，在面对一块在碰撞过程中奔向地球的太空岩石时，原则上人类可以通过撞击使其轨道发生偏移[1]。

美国近地天体观测计划将那些大小在140 m及以上的天体定义为“令人担忧”的天体。北爱尔兰贝尔法斯特女王大学的天文学教授Alan Fitzsimmons说：“这些小行星便是我们所说的潜在危险，它们不会造成全球性的破坏，但会造成区域性毁灭。”虽然预计在未来的一百年内，NASA所跟踪的此类大小的天体都不会对地球进行撞击，但尺寸超过140 m的该类天体数量预计超过25 000个，且一半以上尚未被确认[2]。

NASA设计的双小行星重定向测试（DART）航天器重约570 kg，体积约2 m3，该航天器的目标是将大小为160 m的小行星卫星Dimorphos“推向”它的伙伴Didymos——一枚大小为780 m的小行星，将Dimorphos对其同伴轨道的绕行时间缩短5~10 min [3]（图1）。在以6.6 km‧s-1的速度撞击后数周，研究人员对小行星进行分析并确认DART航天器将Dimorphos的轨道周期缩短了约33 min [1]。

《图1》

图1 一位艺术家对DART航天器撞上Dimorphos之前的假想图。来源：NASA/约翰霍普金斯大学应用物理实验室（公共领域）。

“DART的惊人表现向我们证明，这是一项可行的行星防御技术。”Fitzsimmons表示，他正在使用地面望远镜协助进行后续测量，该测量为美国夏威夷州檀香山的夏威夷大学小行星地面撞击最后警报系统（ATLAS）项目的一部分。“不能低估的是，在DART计划之前，我们的世界处于一个不确定的状态。现在的我们知道会发生什么，可以根据DART的撞击来调整我们所有的预测。”

DART航天器于2021年11月发射，整体耗资3.3亿美元，主要由约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL，位于美国马里兰州劳雷尔）的工程师负责建造。历时十个月的航行，DART航天器接近Didymos/Dimorphos这对小行星。在撞击前约四个小时，DART激活了一个名为小天体机动自主实时导航（SMART Nav）的开创性算法。这套自主光学导航系统是一套由APL开发的改进型机载导弹制导算法，可以对这两个天体进行识别区分，然后将航天器导向Dimorphos [2]（图2）。

《图2》

图2 小行星卫星Dimorphos的最后一张完整图像，由DART航天器在距其约12 km处于撞击前2 s拍摄。该图像显示了小卫星上一个直径为31 m的斑块。来源：NASA/约翰霍普金斯大学应用物理实验室（公共领域）。

这对小行星距离地球非常远，约1.1 × 107 km的距离让地面望远镜无法对Dimorphos进行直接观测，但研究人员使用世界各地约十几台望远镜敏锐捕捉到了小卫星Dimorphos在前后绕行Didymos时出现的亮度骤减。通过将这些观测结果与碰撞前轨道时间的测量结果进行比较，可对DART的有效性进行量化[1]。

此外，两处雷达设施，即位于美国加利福尼亚州欧文堡的金石天文台（Goldstone Observatory）和位于美国西弗吉尼亚州的绿岸天文台（Green Bank Observatory），也将天线转向这对小行星，对碰撞以及碰撞后的情况进行监测。不同于光学望远镜数据，雷达观测可以将这两颗小行星进行区分，方便天文学家查看它们各自的位置并估算出Dimorphos在Didymos新轨道上的绕行周期[1]。两组测量结果均证实，DART的撞击将Dimorphos与Didymos的距离拉近了几十米，并将其轨道周期缩短了33 min，撞击后约为11小时23分[1]。APL的科学家随后估计，这次撞击所释放的能量约为1.1 × 1010 J，约为在地球上引爆近1 t TNT炸药所产生能量的三倍[4]。

轻型意大利小行星成像立方体卫星（Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids，LICIACube）为所发生的一切提供了最清晰、最近距离的图片资料。LICIACube是一个鞋盒大小的意大利航天器（纳米卫星或“立方体卫星”），它与DART航天器相伴并对撞击过程进行了拍摄。作为意大利第一个深空任务，LICIACube在撞击前15天便被部署于DART航天器，它使用一种自主导向技术保证在驶过撞击点时保持相机对Dimorphos的锁定，拍摄时其距离小行星仅55 km。LICIACube使用两台相机同时对Dimorphos撞击前后的情况进行拍摄，分别是：一台黑白、高分辨率相机，名为LICIACube小行星成像探索者（LICIACube Explorer Imaging for Asteroid, LEIA），以及一台宽视场、三色相机，名为LICIACube单元密匙探索者（LICIACube Unit Key Explorer, LUKE）。照片中显示，撞击时出现了剧烈强光，在随后的几分钟内，一股由岩石和碎片组成的羽状气流不断向外扩散漂移[5]。

据科学家们估计，最早的喷射物以高达2 km‧s-1的速度从Dimorphos的表面流出。不到一个小时，颗粒形成的云团便达到了地球大小。此外，在小行星被撞击地点相对的一侧出现了一些碎片，其运动方向与DART一致。一位专家推测，这可能是由于航天器在撞击时形成的撞击波直接穿过了小行星，将其远端的碎石炸飞[6]。总的来说，约有1000 t的岩石被DART航天器送入太空[7]。

科学家们希望，通过研究羽流的演变来推演Dimorphos的物理特性，并使研究人员有机会计算出DART的动能有多少用于碎片喷射，有多少用于改变小行星轨道。初步研究表明，DART航天器能取得巨大成功是由于Dimorphos更像是一个松散的岩石集合体，而非一个坚实的整体。相比于小行星单纯吸收航天器的动能而不产生任何喷出物的情况，NASA计算出的动量转移约为其3.6倍，这说明拖着数千公里长尾巴的碎片羽流（图3）作用于Dimorphos轨道改变的能量比航天器更大[7]。如果需要的话，准确预测动量转移对于规划未来的动能撞击器任务至关重要，包括确定撞击器航天器的尺寸以及估算所要的前置时间，以确保一个小小的偏转就会使一个可带来潜在危险的小行星偏离轨道。

《图3》

图3 Dimorphos被DART撞击后，哈勃太空望远镜拍摄到的图片，图中喷出的尘埃和碎片羽流流经数千公里。来源：NASA/欧洲航天局/太空望远镜科学研究所/哈勃（公共领域）。

DART的成功被《物理世界》誉为2022年度突破[8]，但想要让一颗对地球构成积极威胁的小行星偏转轨道，所需要的可能不仅仅是高尔夫球场大小的DART航天器。NASA行星防御协调办公室最近进行的一次演习表明，要想成功改变一颗大小适中的小行星的轨道，使其远离与地球的碰撞路线，可能需要多达12个类似DART的动能撞击器[9]。

今后，众多望远镜将会继续对Dimorphos进行监测，确定其轨迹是否会进一步发生改变[5]。詹姆斯韦伯空间望远镜捕获的数据也可用于确认其化学成分[6]。“截至目前，可以确定Didymos和Dimorphos的成分与最常见的落入地球的陨石成分非常相似。”APL行星天文学家兼DART联合首席调查员Andy Rivkin说道，“仅仅通过对该类型小行星的测试，我们的探究便已经涵盖了近地空间中四分之三的物质。动能撞击器对其余部分的影响应该可以被计算出来。”

欧洲航天局的赫拉任务（Hera mission）将为DART任务提供最后的验收分析，该任务计划于2024年10月升空。这个耗资2.8亿美元的航天器（而非LICIACube）原计划与DART一起升空，预计将于2026年年底抵达Dimorphos。Hera及其两个配套的立方体卫星Juventas和Milani将对Dimorphos的质量、孔隙度以及由DART撞击产生的任何残余摆动进行估算，这些数据均将有助于更好地诠释航天器造成的撞击（图4）。此外，Hera及其配套设施将通过激光雷达对Dimorphos和Didymos的表面进行精确测绘，部署热像仪来对其表面的化学性质进行分析，并对撞击坑进行高分辨率光学图像收集[10]。“只有当Hera抵达时，我们才能真正窥知Dimorphos被撞击后的样子。”Fitzsimmons说道，“我们希望可以充分了解DART的能量和动力去向，因为如果此举在未来成为必然，我们希望尽可能地确定，目标在受到像DART这样的潜在撞击之后会发生什么。”

《图4》

图4 欧洲航天局的Hera航天器及相伴的两个立方体卫星正在观测Dimorphos以及DART撞击后产生的撞击坑，图为设想图。来源：欧洲航天局（公共领域）。

中国计划于2026年启动自己的动能撞击器任务[11]。该任务的目标是一颗可越过地球轨道的近地小行星2020 PN1，该撞击器类似于DART与Hera的混合体，其中一个模块负责撞击40 m宽的太空岩石，另一个模块悬挂其后，用于进行彻底的撞击后检查。

DART是NASA行星防御计划赞助的第一个大型项目，下一个大型项目是近地天体勘测者（NEO Surveyor）。NEO Surveyor是一台50 cm的红外空间望远镜，专门用于寻找明亮和黑暗的小行星，而黑暗小行星的探测难度是最大的[12]。NEO Surveyor计划于2028年发射，它将使用两个热敏红外成像通道，对多达90%的从未被识别的近地小行星的大小、形状、组成、运转状态和轨道进行准确测量。“希望我们永远不会发现有东西来袭，但DART的成功至少已经可以证明，我们能够在太空中对一颗小行星进行拦截，并显著改变其运行轨道，使其远离地球。” Rivkin说道。