如何确保和确认NASA的DART动能小行星偏转器击中其目标？

2021-12-12

尽管小行星撞击地球的几率很小，但即使是直径约500英尺（约150米）的相对较小的小行星也会携带足够的能量，在撞击地点周围造成广泛的破坏。美国国家航空航天局在美国和世界范围内领导着探测和跟踪潜在危险小行星的工作，并研究减轻或避免撞击地球的技术。

如果一颗小行星被发现并被确定为与地球相撞，一种反应可能是发射一个"动能撞击器"- 一个高速航天器，通过撞击使小行星偏移，稍微改变小行星的轨道，使其错过地球。美国宇航局的双小行星重定向测试（DART）将是第一个使用动能撞击器演示小行星偏转的任务。

DART将测试动能撞击器技术，其目标是一个双小行星，该小行星不在与地球相撞的路径上，因此对地球不构成实际威胁。该系统由两颗小行星组成：较大的小行星Didymos（直径：780米，0.48英里），以及较小的月球小行星Dimorphos（直径：160米，525英尺），它围绕较大的小行星运行。DART由SpaceX公司的猎鹰9号火箭于美国东部时间11月24日凌晨1点21分从加州范登堡空军基地的4号航天发射场发射，它将几乎正面撞上迪莫弗斯，使这颗小行星的小卫星绕着迪迪莫斯运行的时间缩短数分钟。这项任务由位于马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯应用物理实验室（APL）为NASA行星防御协调办公室领导，并得到NASA几个中心的支持。

位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的科学家和工程师们正在检查任务的飞行路径，并运行计算机模拟，预测撞击可能如何改变迪莫弗斯的轨道。该小组还将进行望远镜观测，以确定撞击过程中释放的尘埃和挥发物（容易汽化的物质）的数量和组成。

戈达德和加州伯克利的Heliospace公司的动力学验证和确认负责人和DART飞行动力学支持负责人Brent Barbee说：“我们是对任务的轨迹计算的独立检查。戈达德利用其内部开发的进化任务轨迹生成器（EMTG），在任务发展的各个阶段对DART任务轨迹进行独立的验证和确认，并评估任务适应错过推力和其他突发事件的能力。我们还使用EMTG来支持DART的独立轨迹优化研究。这些研究评估了航天器在其目标、能力和限制条件下的最佳飞行路径。“Barbee是DART轨道优化小组的成员。

科学家还在帮助计算撞击将如何改变Didymos的轨道，使用任务调查小组开发的专门的双小行星动力学模拟代码来模拟迪莫弗斯系统的轨道和旋转运动。人物小组为DART任务策划了该工具的一个版本，增加了特点和功能。“Barbee说：“我们的模拟结果阐明了DART的影响将如何改变该系统的动态，其方式可以通过远程观测发现。在发射之前，这些模拟有助于验证DART的撞击将满足任务要求，即使是在不理想的撞击情况下。”

戈达德的Joshua Lyzhoft补充道，他为DART进行动力学模拟开发、建模和分析。“我们还将在任务期间利用观察结果更新模拟，以帮助确定DART的撞击在多大程度上改变了Dimorphos的动量，这是任务的一个重要目标。”

据该团队称，双小行星动力学算法和代码非常复杂，计算量很大。戈达德为代码添加的一个重要特征是能够使用并行分布式计算来执行，以便在合理的时间内完成模拟。当系统被观察到撞击后，这将是第一次观察到这种撞击效应，也是第一次将这种观察与双小行星的动力学模拟进行比较并用于校准。

航天器将在2022年9月下旬撞上Didymos的小卫星，届时Didymos系统在距离地球约680万英里（1100万公里）的范围内，使地面望远镜和行星雷达的观测能够测量传给小卫星的动力变化。

航天器将在2022年9月下旬拦截Didymos的小卫星，届时Didymos系统在距离地球约680万英里（1100万公里）的范围内，使地面望远镜和行星雷达的观测能够测量传给小卫星的动力变化。

戈达德的科学家将进行额外的观测，以增加任务的科学回报，成员Stefanie Milam说：“我们将通过阿塔卡马大型毫米阵列（ALMA）以及其他无线电（毫米/亚毫米）设施的高分辨率射电望远镜观测，确定撞击过程中释放的尘埃量，以及任何潜在的挥发性物质的数量和性质，“他是DART辅助观测工作组的成员，也是ALMA计划的共同研究员。“此外，在撞击期间和撞击之后，还将用詹姆斯-韦伯空间望远镜对迪迪莫斯进行观测，以监测事件中释放的尘埃。“Milam参与并支持韦伯保证时间观测团队。

“来自韦伯（近红外波长）和ALMA（亚毫米波长）的尘埃和挥发性观测将帮助我们了解小行星的组成以及撞击所喷射出的物质的速度、方向和性质，“戈达德的Nathan Roth说，他也是DART辅助观测工作组成员和ALMA计划的首席研究员。“根据小行星在每个波长下的亮度，我们将能够了解喷射物中灰尘颗粒的大小分布。通过韦伯的高分辨率成像，我们将能够了解喷出物中的喷流或其他结构。利用ALMA的分子光谱（分析分子释放的光），我们将能够测量迪莫弗斯表面下存在的任何微量冰的含量，以及撞击产生的任何气相分子。”