吃着火锅唱着歌，突然就被人类给撞成了“平头”
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一年多以前，人类完成了首次行星防御演习的撞击任务，成功地用航天器撞击了太空中的一颗小行星。
最近，科学界再次为我们带来了关于这颗小行星的消息。据最新一期《自然▪天文学》杂志上的文章报道，这颗“倒霉”的小行星，“造型”可能被彻底撞坏了……
“倒霉”的小行星
2022年9月27日，美国宇航局的“双小行星重定向任务（DART）”撞击器，于距离地球约1100万千米的深空中，以6.15千米/秒的惊人速度，猛烈撞击了一颗名为“狄莫弗斯”的“无辜”小行星。
图1 “狄莫弗斯”小行星（图片来源：NASA）
说它“无辜”，是因为这颗小行星原本像一个安静的“鸭蛋”，其尺寸约为177米×174米×116米，与直径780米的“狄迪莫斯”共同构成了一个双小行星系统。在这个系统中，“狄莫弗斯”是较小的那一颗，它像一个精准的“钟表”，每11小时55分钟围绕“狄迪莫斯”转一圈，在未来几百年内，对人类并无直接威胁。
为啥要撞它？科学家：对不起了，为了保护地球，拿你做个实验。
图2 “双小行星重定向测试”任务（图片来源：NASA）
美国宇航局的科学家们精心策划了这次迎头撞击，旨在给这颗小行星施加一个“刹车”，从而缩短其相对“狄迪莫斯”的绕转周期。当高速撞击发生时，小行星迸发出大量的石块和尘埃。这些溅射物不仅极大地增强了撞击的效应，而且它们所带来的动量改变量远远超过了撞击器本身带来的动量，为这次任务带来了意想不到的效果。
图3 动量传递因子β示意图
【撞击体与小行星完全融合，不产生任何溅射物，则动量传递因子为1；撞击产生溅射物，类似火箭“喷射”物质获得加速，为小行星带来撞击之外的额外动量，则动量传递因子＞1】
科学家们引入了动量传递因子β，以量化小行星动量改变量与撞击器动量之间的比值（示意图附上）。β值的高低直接反映了溅射物产生的额外动量的大小，以及其对处置效果的影响程度。在实际撞击中，溅射物所带来的动量可能是撞击器动量的数倍，对处置效果具有极其重要的影响。
β值与多个关键因素密切相关，包括撞击器的设计参数、撞击速度、撞击角度，以及小行星的结构参数和材料特性参数等。然而，由于空间尺度和微重力等特殊条件的限制，我们在地面环境中难以直接进行相关的实验测量，因此对这些因素如何影响β值的具体规律尚不完全明确。
科学家们可以通过观测双小行星系统反射太阳光的变化曲线，精确地获得小行星的绕转周期。这一数据为评估撞击试验对小行星轨道的改变量提供了关键依据，并最终帮助科学家推算出动量传递因子的大小。这也是DART任务选择双小行星系统作为目标的重要原因之一，因为它提供了一个独特的机会来验证动量传递因子的测量方法。
为了全面评估这次试验，科学家们利用地面望远镜、空间望远镜以及DART任务释放的LICIACube立方星进行了全方位的观测。结果令人震惊：撞击后，双小行星系统的绕转周期缩短了33分钟，远超预期的10分钟。这一重大发现首批成果已于2023年3月发表在《自然》期刊上，引起了全球科学界的广泛关注。这次试验不仅为我们提供了宝贵的实践经验，还极大地增强了人们防御小行星的信心。因此，《科学》期刊将其评为2022年度世界十大科学突破之一。（点这里复习一下当年的科学突破）
尽管这次试验取得了令人瞩目的成果，但科学家们并未停止探索的脚步。观察了“怎么样”，还要研究“为什么”。他们仍在深入研究为何这次试验效果如此显著超出预期，以期为未来的行星防御任务提供更加可靠的设计依据。
小行星：其实我很“脆弱”
怎么研究呢？计算机仿真模拟。在最新一期《自然▪天文学》杂志上，瑞士伯尔尼大学的青年科学家S. D. Raducan领导的国际团队，以试验观测数据为约束，利用光滑粒子流体动力学（SPH）仿真方法，深入探究了小行星的表面材料和结构特性。
此前，科学家已经通过观测试验数据确定了动量传递因子的上限和下限。LICIACube立方星在撞击后的29-320秒内捕捉到了溅射物的图像，这为研究团队提供了溅射物相对于小行星撞击点的发散锥角的宝贵数据。
图4 LICIACube立方星在撞击后捕捉到了溅射物的图像（图片来源：Nature Astronomy）
光滑粒子流体动力学仿真是一种先进的数值仿真技术，它将撞击器和小行星模拟为一系列相互作用的粒子，从而模拟超高速撞击过程。这种方法能够对动量传递因子、溅射物发散锥角等关键物理参数进行仿真。
通过将仿真结果与试验观测数据进行对比，研究团队找到了与观测数据最为吻合的仿真模型，从而限定小行星的密度、孔隙率、内聚强度和结构等特性。
图5 动量传递因子约束了小行星的密度不超过2400 kg/m3并且内聚强度极低 （图片来源：Nature Astronomy）
从光谱类型来看，这颗小行星与L型或LL型陨石最为接近，其颗粒密度范围在3200-3600 kg/m3之间。然而，令人惊讶的是，通过观测数据约束，研究团队发现这颗近地小行星的密度可能不超过2400 kg/m3。这意味着这颗小行星内部可能极为松散，具有较高的孔隙率。
与我们通常想象的小行星——一块坚固的巨石不同，这颗小行星很可能是由一堆碎石组成。仿真研究还揭示出这颗小行星的内聚强度可能仅为几帕。这意味着其内部石块之间的粘聚力非常微弱，甚至低于黄土的粘聚力。看看开头的图，可以想象它是个碎石堆吗？
与观测数据最为吻合的仿真模型中，小行星的密度被确定为2200 kg/m3，而其内聚强度更是低至几帕以下。这进一步证实了这颗小行星的极端脆弱性。因此，撞击过程中产生的大量溅射物导致双小行星的绕转周期显著缩短，远超预期效果。
“造型”可能被撞坏了
长久以来，人们普遍认为小行星在受到撞击后会形成一个明显的撞击坑。但对于这颗“脆弱”的小行星，撞击之后会形成撞击坑吗？
在考虑了小行星的密度和内聚强度后，科学家通过光滑粒子流体动力学进行了深入分析。仿真结果令人惊讶：撞击并不会在小行星上形成传统的撞击坑，而是导致其表面被“推平”（下图6）。小行星的内聚强度越低，这种被“推平”效果越为显著。
图6 “狄莫弗斯”表面被“推平”（图片来源：Nature Astronomy）
如果小行星的内聚力完全消失，变得如同干燥的沙子一般，那么撞击方向的表面可能会被“推平”高达20%。这意味着这颗原本形如“鸭蛋”的小行星，在撞击后将变为一个“平头”，其原有的“造型”被彻底破坏。
图7 小行星表面被“推平”过程仿真 （图片来源：Nature Astronomy）
因此，当2027年欧空局的“赫拉”探测器再次造访这个双小行星系统时，它很可能不会发现由DART撞击器造成的传统撞击坑，取而代之的将是一个经过重新“塑身”的小行星。
这一发现无疑将颠覆我们对小行星撞击后形态变化的传统认知，为我们带来新的启示和思考。
“身世”暴露了
双小行星系统中的主星“狄迪莫斯”以其约2.26小时的自转周期引人注目，维持如此高速的自转需要其内聚强度达到几十帕的级别。然而，根据光滑粒子流体动力学的仿真研究，其子星“狄莫弗斯”的内聚强度却不超过几帕，这一显著差异可能揭示了这两颗小行星的不同“身世”。
科学家们推测，“狄莫弗斯”小行星很可能是从“狄迪莫斯”小行星在自旋或撞击过程中抛射出的溅射物重新吸积而成的。在这个过程中，由于光压的作用，较细的颗粒可能会逃逸，导致“狄莫弗斯”小行星缺乏这些细颗粒。内聚力主要由小行星颗粒间的范德华力形成，而细颗粒可以提供相对更大的接触面积和更强的内聚力。因此，“狄莫弗斯”小行星由于缺少细颗粒，其内聚力极低，结构显得极为“脆弱”。
图8 小行星的自转“禁区”（图片来源：The Astronomy and Astrophysics Review）
值得注意的是，对于百米及以上尺寸的近地小行星，观测数据揭示了一个自转周期约为2.2小时的“禁区”：几乎所有此类尺寸的小行星自转周期都大于2.2小时。科学家们认为，自转速度超过这一阈值可能会导致小行星解体。考虑到“狄迪莫斯”小行星的自转周期正好位于这一自转“禁区”的边缘，这进一步支持了“狄莫弗斯”小行星是由“狄迪莫斯”自转分离出的溅射物重新吸积而成的观点。
对我国小行星防御任务有何启示？
在2023年中国航天日上，我国深空探测实验室发布了我国首次小行星防御在轨验证任务方案。按照计划，我国拟于2030年前对一颗直径大约30米的近地小行星实施撞击试验。任务目标不仅要偏转小行星轨道，也要完成效果评估，从而为保卫地球安全贡献真正的中国力量。
图9 我国首次小行星防御任务示意图（图片来源：《调皮的小行星》）
这次发表的DART任务的科学结果对我国小行星防御任务设计提供了宝贵的启示。小行星的结构与材料特性对撞击效果具有重要影响。有可能，小行星可能并非我们传统认知中的坚固巨石，而是一堆以微弱粘聚力堆砌在一起的碎石。更值得关注的是，小行星被撞击后，可能不是形成撞击坑，而是被撞坏了“造型”，甚至可能会被彻底“撞碎”。这些都是我们需要在任务设计与实施时，需要谨慎考虑的问题。
参考文献:
[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：李明涛 周琪
作者单位：中国科学院国家空间科学中心
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