如何確保和確認NASA的DART動能小行星偏轉器擊中其目標？

2021-12-12

儘管小行星撞擊地球的幾率很小，但即使是直徑約500英尺（約150米）的相對較小的小行星也會攜帶足夠的能量，在撞擊地點周圍造成廣泛的破壞。美國國家航空航天局在美國和世界範圍內領導着探測和跟蹤潛在危險小行星的工作，並研究減輕或避免撞擊地球的技術。

如果一顆小行星被發現並被確定為與地球相撞，一種反應可能是發射一個"動能撞擊器"- 一個高速航天器，通過撞擊使小行星偏移，稍微改變小行星的軌道，使其錯過地球。美國宇航局的雙小行星重定向測試（DART）將是第一個使用動能撞擊器演示小行星偏轉的任務。

DART將測試動能撞擊器技術，其目標是一個雙小行星，該小行星不在與地球相撞的路徑上，因此對地球不構成實際威脅。該系統由兩顆小行星組成：較大的小行星Didymos（直徑：780米，0.48英里），以及較小的月球小行星Dimorphos（直徑：160米，525英尺），它圍繞較大的小行星運行。DART由SpaceX公司的獵鷹9號火箭於美國東部時間11月24日凌晨1點21分從加州范登堡空軍基地的4號航天發射場發射，它將幾乎正面撞上迪莫弗斯，使這顆小行星的小衞星繞着迪迪莫斯運行的時間縮短數分鐘。這項任務由位於馬里蘭州勞雷爾的約翰霍普金斯應用物理實驗室（APL）為NASA行星防禦協調辦公室領導，並得到NASA幾個中心的支持。

位於馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的科學家和工程師們正在檢查任務的飛行路徑，並運行計算機模擬，預測撞擊可能如何改變迪莫弗斯的軌道。該小組還將進行望遠鏡觀測，以確定撞擊過程中釋放的塵埃和揮發物（容易汽化的物質）的數量和組成。

戈達德和加州伯克利的Heliospace公司的動力學驗證和確認負責人和DART飛行動力學支持負責人Brent Barbee説：“我們是對任務的軌跡計算的獨立檢查。戈達德利用其內部開發的進化任務軌跡生成器（EMTG），在任務發展的各個階段對DART任務軌跡進行獨立的驗證和確認，並評估任務適應錯過推力和其他突發事件的能力。我們還使用EMTG來支持DART的獨立軌跡優化研究。這些研究評估了航天器在其目標、能力和限制條件下的最佳飛行路徑。“Barbee是DART軌道優化小組的成員。

科學家還在幫助計算撞擊將如何改變Didymos的軌道，使用任務調查小組開發的專門的雙小行星動力學模擬代碼來模擬迪莫弗斯系統的軌道和旋轉運動。人物小組為DART任務策劃了該工具的一個版本，增加了特點和功能。“Barbee説：“我們的模擬結果闡明瞭DART的影響將如何改變該系統的動態，其方式可以通過遠程觀測發現。在發射之前，這些模擬有助於驗證DART的撞擊將滿足任務要求，即使是在不理想的撞擊情況下。”

戈達德的Joshua Lyzhoft補充道，他為DART進行動力學模擬開發、建模和分析。“我們還將在任務期間利用觀察結果更新模擬，以幫助確定DART的撞擊在多大程度上改變了Dimorphos的動量，這是任務的一個重要目標。”

據該團隊稱，雙小行星動力學算法和代碼非常複雜，計算量很大。戈達德為代碼添加的一個重要特徵是能夠使用並行分佈式計算來執行，以便在合理的時間內完成模擬。當系統被觀察到撞擊後，這將是第一次觀察到這種撞擊效應，也是第一次將這種觀察與雙小行星的動力學模擬進行比較並用於校準。

航天器將在2022年9月下旬撞上Didymos的小衞星，屆時Didymos系統在距離地球約680萬英里（1100萬公里）的範圍內，使地面望遠鏡和行星雷達的觀測能夠測量傳給小衞星的動力變化。

航天器將在2022年9月下旬攔截Didymos的小衞星，屆時Didymos系統在距離地球約680萬英里（1100萬公里）的範圍內，使地面望遠鏡和行星雷達的觀測能夠測量傳給小衞星的動力變化。

戈達德的科學家將進行額外的觀測，以增加任務的科學回報，成員Stefanie Milam説：“我們將通過阿塔卡馬大型毫米陣列（ALMA）以及其他無線電（毫米/亞毫米）設施的高分辨率射電望遠鏡觀測，確定撞擊過程中釋放的塵埃量，以及任何潛在的揮發性物質的數量和性質，“他是DART輔助觀測工作組的成員，也是ALMA計劃的共同研究員。“此外，在撞擊期間和撞擊之後，還將用詹姆斯-韋伯空間望遠鏡對迪迪莫斯進行觀測，以監測事件中釋放的塵埃。“Milam參與並支持韋伯保證時間觀測團隊。

“來自韋伯（近紅外波長）和ALMA（亞毫米波長）的塵埃和揮發性觀測將幫助我們瞭解小行星的組成以及撞擊所噴射出的物質的速度、方向和性質，“戈達德的Nathan Roth説，他也是DART輔助觀測工作組成員和ALMA計劃的首席研究員。“根據小行星在每個波長下的亮度，我們將能夠了解噴射物中灰塵顆粒的大小分佈。通過韋伯的高分辨率成像，我們將能夠了解噴出物中的噴流或其他結構。利用ALMA的分子光譜（分析分子釋放的光），我們將能夠測量迪莫弗斯表面下存在的任何微量冰的含量，以及撞擊產生的任何氣相分子。”