Science 2022年十大科学突破解读：人类首次行星防御实验成功

2022年9月26日，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的“双小行星重定向测试”（Double Asteroid Redirection Test，DART）探测器撞击上了迪莫弗斯（Dimorphos）小行星，入选了Science杂志2022年“十大科学突破”，标志着人类首次行星防御实验成功。双小行星系统Didymos（编号65 803）距离地球1 100万千米，主星Didymos直径为780米；卫星迪莫弗斯的直径为160米，是一个近球形的碎石堆。DART以6.2千米/秒的速度撞向迪莫弗斯，撞击产生的喷射流由于反冲作用转移了部分动量，使其沿轨道方向的速度瞬时减小了2.70±0.10毫米/秒，导致两颗小行星相互绕转的周期缩短了32分钟，这证明了撞击对于偏转小行星轨道是极为有效的。DART利用搭载的光学导航相机和智能导航技术，传回了迪莫弗斯的图像并确定了撞击点（图7）。詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）和哈勃望远镜（Hubble Space Telescope，HST）也分别在红外和可见光波段对撞击进行观测，研究碰撞后小行星的喷射物质（图8、图9）。

图7 DART 调整轨道和指向以锁定撞击点

图8 HST 观测的碰撞后第0.7 天到第8.8 天喷射物质的演变

图9 JWST 在红外波段观测的撞击尾迹(NASA/ESA/CSA)

近地天体对地球环境及其生物圈带来显著影响，其中直径大于140米且离地球轨道小于750万千米的潜在威胁天体（Potentially Hazardous Asteroids，PHA）对地球有可能构成直接威胁。迄今，天文学家发现了31 637颗近地天体，约8%为PHA。据估计，已发现的PHA的总数尚不足理论估计数量的三分之一，直径大于40米的近地天体的发现数量仅占3%。未来100年内，仍有17颗PHA没有排除与地球相撞的危险，若改变它们的轨道，目前最有效的技术手段是利用航天器直接撞击小行星。DART是第一个使用人造探测器在地球以外撞击近地小行星的空间任务，最终改变小行星的运行轨道。这次实验证明了DART技术的可行性，若在未来发现其他对地球构成威胁的近地小行星，使用这一轨道偏转的方法可消除其带来的威胁，进而拯救整个人类文明。小行星是太阳系的“活化石”，蕴含了地球生命和水体起源的重要线索，也蕴藏着“婴儿期”太阳系的关键信息，具有科学研究价值。同时，探测发现和研究近地天体的组分、结构及其演化是天文学前沿课题。小行星防御关乎人类共同命运，发现并监测近地天体体现了人类对其所赖以生存的地球周边太空环境的密切关注，探测和研究近地天体是探索和平利用太空的重大需求。因此，建立全球天地一体化小行星监测预警网与小行星防御系统非常必要。中国科学院紫金山天文台的近地天体望远镜是国内发现近地天体的主力设备，也是中国加入国际小行星预警网开展数据共享的唯一主干设备，目前已发现近地天体37颗。2023年4月，中国科技大学—紫金山天文台共同研制的2.5米“墨子”望远镜落成，预计将在小行星探测和监测预警作出重要贡献。早在2012年，中国“嫦娥二号”探测器近距离（千米内）探测具有潜在威胁的近地小行星图塔蒂斯，这是小行星空间探测和防御的有益尝试。2025年前后将要发射的天问二号探测器和中国空间站工程巡天望远镜亦必将发挥关键作用。应该看到，我国在该领域与国际先进水平仍存在较大差距。首先，我国近地天体监测预警观测能力薄弱，具有大范围搜索能力的设备口径小、数量少、站址单一、探测能力有限，观测设备能力亟待提升。其次，我国尚未建立建制化的近地天体监测预警体系，在国际组织中交流和数据共享过程中处于较低地位，急需加强国际合作。第三，缺少国家近地天体科学数据与研究中心，需合理布局学科方向，加强基础科学研究与人才队伍建设。国家航天局宣布，我国将着手组建近地小行星防御系统，完善建立地基天基对小行星的监测预警系统。在“十四五”末期，我国拟实施一项地外小天体防御任务，计划对某一颗有威胁的小尺寸的小行星，既进行抵近观测，又实施就近撞击，改变其轨道进行技术实验，为小天体防御全球科技治理贡献中国智慧、中国方案和中国力量。