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我国的小行星撞击任务与NASA的DART任务相比,有哪些不同与改进的地方?

搞笑效应
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DART的撞击实验回答了以下三个问题:

第一,能不能撞上去? 答:可以!

第二,能不能撞偏?答: 可以!

第三,偏多少? 答:不确定,预测和结果差了几倍。

但是,真正的行星防御,需要的不只是能撞,而是要能在危机来临前 精确预测撞偏效果。如果计算错了,可能撞过头,也可能没撞开。

所以,咱们国家的小行星撞击任务不仅要实现撞击,知道撞偏了多少,而且还要知道为什么会偏这么多,从而建立一套物理上自洽的模型,这对以后给撞击器适配合适的重量和速度都非常有意义。

如果说DART是一个定性的实验,咱们国家的小行星撞击任务是一个定量的分析,既看到效果,也看到物理机制。

我们先看看DART的做法,DART 在撞击前,其实对 Dimorphos 几乎一无所知。科学家甚至不知道它的确切形状,只能靠地面雷达和光变曲线推算。直到撞击前 73 分钟,DART 才第一次在相机里分辨出它的身影,如下图第二列,。这种盲撞的结果是:命中精度很高,误差小于1 米,但最终偏转效果比模型预测大了几倍!!!

第二列小图 (b) 标志着 DART 在撞击前 73 分钟(T−73 min)才第一次在 DRACO 相机里成功分辨出 Dimorphos 的身影

之所以偏转效果出现如此大的误差,主要原因之一,就是小行星表面在高速撞击情形下就好比是一个沙堆,撞击产生的喷射物反冲力,放大了动量转移系数β。 解释一下。小行星轨道速度变化量(Δv) 与撞击器动能/动量之间关系的近似式,在 Nature 的 DART 文章中表示如下:

\Delta v \;\approx\; \beta \cdot \frac{m_{\text{撞击器}} \, v_{\text{撞击器}}}{M_{\text{小行星}}}

其中 \Delta v就是小行星速度的变化量, m_{\text{撞击器}}是撞击器(impactor)的质量, v_{\text{撞击器}}是撞击器相对小行星的撞击速度, M_{\text{小行星}}是被撞击的小行星的质量, \beta 动量转移系数,其物理意义是撞击时不仅撞击器的动量传给小行星,还会因为 喷射物向后喷出,对小行星产生额外的反冲,就像火箭喷气一样,如果没有喷射效应,\beta=1;如果喷射显著,\beta>1

问题是,β 到底是多少? 这正是咱们国家的小行星撞击任务在第三步搞清楚的问题。

咱们中国的方案里,伴飞器会提前到达,近距离探测小行星的。首先对小行星建立数字地形模型,就像 DART 的 DRACO 相机+光照反演,但会更完整;其次,通过伴飞轨道扰动反演,了解小行星的质量和密度,类似“绕月测质量”的方法,最后利用光谱成像穿透雷达探测小行星表面组成。

这就好比,提前把目标物的属性结构摸清楚,而不会像DART一样快撞击了才临时发现对手是个“沙袋”。

下图是DART 撞击点附近的影像,可以看到表面密布大小不一的砾石、巨砾,这些都会在撞击后产生喷射物反冲力,进而放大了动量转移系数β。

DART 撞击点附近的影像,可以看到表面密布大小不一的砾石

无论是 DART 还是中国方案,核心都一样:用一枚撞击器以数 km/s 的速度命中小行星。以 DART 为例:撞击速度 6.1449 km/s,撞击器质量 579.4 kg,动能 ~ 1.1 × 10¹⁰ J,相当于 3 吨 TNT[1]。但中国的方案更强调:撞击器并非单独飞行,而是由伴飞器持续监控+修正导航,这样精度和数据量都会更高。

下图标注了小行星上的裂隙,石块,部分埋藏巨砾,这些都表明其表层是松散堆积,所以,定量化动量转移系数并不容易。

此图标注了小行星上的裂隙,石块,部分埋藏巨砾,这些都表明其表层是松散堆积

DART 撞击之后,Dimorphos 的轨道周期缩短了 33 分钟,这一结果只能靠地面望远镜长时间观测互掩事件推算出来。DART 自己已经壮烈牺牲,看不到坑有多大有多深,也不知道碎片喷射有多猛烈。

中国的伴飞器会近距离拍摄(高速相机记录撞击瞬间的碎片喷发)+ 轨道测量(直接观测小行星伴星轨迹变化,而不是等几周后靠望远镜推算)+ 坑洞成像 (飞到撞击点上空,拍下新鲜撞坑的尺寸与形貌)。这样一来,我们不仅知道撞偏了多少,还知道为什么会偏这么多,从而建立一套物理上自洽的模型,这对以后给撞击器适配合适的重量和速度都是非常有意义的。

参考

  1. ^【Daly et al., Nature, 2023】
黄河边儿
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