NASA研究：小行星的轨道和形状在DART撞击后发生了变化
文摘
科学
2024-03-20 10:35
广东
2022年9月26日，NASA的双小行星重定向测试（DART）任务在航天器撞击其表面前两秒钟拍摄了小行星双卫一（Dimorphos）的照片。撞击前后对该小行星的观测表明，它是一个松散堆积的“碎石堆”物体。
影像来源：NASA/Johns Hopkins APL在NASA历史性的双小行星重定向测试（Double Asteroid Redirection Test, DART）后，喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）领导的一项研究表明，小行星双卫一（Dimorphos）的形状已经发生变化，其轨道也已缩短。2022年9月26日，当NASA的双小行星重定向测试（Double Asteroid Redirection Test, DART）故意撞击一颗560英尺宽（170米宽）的小行星时，这在多个方面标志着一个里程碑。演示表明，如果一颗危险的小行星与地球发生碰撞，动能撞击器可以使其偏离轨道。现在发表在《行星科学杂志》上的一项新研究表明，这次撞击不仅改变了小行星的运动轨迹，还改变了它的形状。DART的目标是小行星双卫一，绕着一颗更大的近地小行星双生星（Didymos）运行。在撞击之前，双卫一呈现出大致对称的“扁球体”形状——就像一个被压扁的球，宽度大于高度。双卫一在距离双生星约3900英尺（1189米）的地方绕着一个明确的圆形轨道运行，绕双生星公转一周大约需要11小时55分钟。“当DART撞击时，事情变得非常有趣，”南加州美国宇航局喷气推进实验室的导航工程师塔努·奈度（Shantanu Naidu）说，他领导了这项研究。“双生星的轨道不再是圆形的：它的轨道周期” - 完成一个轨道所需的时间 - “现在缩短了33分15秒。小行星的整体形状也发生了变化，从一个相对对称的物体变成了一个“三轴椭球体” - 更像是一个长方形西瓜。”“当DART撞击时，情况变得非常有趣。”NASA加州南部喷气推进实验室，领导这项研究的导航工程师山塔努·奈度（Shantanu Naidu）说。“双卫一的轨道不再是圆形：其公转周期——完成一次公转所需的时间——现在缩短了33分15秒。并且小行星的整个形状都发生了变化，从一个相对对称的物体变成了‘三轴椭球体’——有点像一个长条形的西瓜。”这张插图展示了小行星双卫一在DART撞击后所经历的大致形状变化。撞击前，左侧，小行星的形状像一个被压扁的球；撞击后，它变得更细长，像一个西瓜。 奈度的团队在他们的计算机模型中使用了三个数据源来推断小行星撞击后的情况。第一个数据来源来自DART：飞船在接近小行星时拍摄了照片，并通过NASA的深空网络（DSN）将它们发回地球。这些图像提供了双生星和双卫一之间间隙的近距离测量，同时也测量了撞击前两颗小行星的尺寸。第二个数据来源是位于加州巴斯托附近的DSN的戈德斯通太阳系雷达，该雷达从两个小行星上反射无线电波，以精确测量撞击后双卫一相对于双生星的位置和速度。雷达观测迅速帮助NASA得出结论：DART对小行星的影响远超最初的预期。
第三个也是最重要的数据来源：全球地面望远镜，这些望远镜测量了两颗小行星的“光变曲线”，即小行星表面反射的阳光随时间变化的情况。通过比较撞击前后的光变曲线，研究人员可以了解DART如何改变了双卫一的运动轨迹。当双卫一绕双生星运行时，它会周期性地从双生星前方经过然后又移到其后方。在这些所谓的“相互事件”中，一颗小行星可能会给另一颗小行星投下阴影，或者阻挡我们从地球上观测的视线。无论哪种情况，望远镜都会记录下临时的变暗——光变曲线的下降。“我们利用这一系列精确的光变曲线下降的时间来推断轨道的形状，由于我们的模型非常敏感，我们还能够确定小行星的形状。”JPL的高级研究科学家及研究共同作者史蒂夫·切斯利（Steve Chesley）说。团队发现双卫一的轨道现在稍微拉长了，或者说是偏心了。“撞击前，”切斯利继续说，“事件的时间发生得很规律，呈圆形轨道。撞击后，出现了非常微小的时间差异，显示出有些事情是不对劲的。我们从未想到会达到这种精度。”模型非常精确，它们甚至显示双卫一在绕双生星轨道运行时会来回摇摆，奈度说。该团队的模型还计算了双卫一的轨道周期是如何演变的。撞击后，DART立即缩短了两颗小行星之间的平均距离，将双卫一的公转周期缩短了32分42秒，至11小时22分37秒。在接下来的几周内，随着双卫一在太空中失去了更多的岩石物质，其公转周期继续缩短，最终定格在每轨道11小时22分钟3秒——比撞击前少了33分钟15秒。奈度说，这个计算精确到1½秒。双卫一现在与双生星的平均轨道距离约为3,780英尺（1,152米）——比撞击前缩短了约120英尺（37米）。
“这项研究的结果与正在发表的其他研究一致。”NASA华盛顿总部小行星小天体首席科学家汤姆·斯塔特勒（Tom Statler）说。“看到不同团队分析数据并独立得出相同结论，这是可靠科学结果的一个标志。DART不仅向我们展示了小行星偏转技术的途径，它还揭示了对小行星及其行为的新基本理解。”这些结果和对撞击后留下的碎片的观察表明，双卫一是一个结构松散的“碎石堆”物体，类似于小行星贝努（Bennu）。欧洲航天局（ESA）计划于2024年10月发射的赫拉（Hera）任务，将前往这对小行星进行详细调查，以确认DART如何重塑双卫一。DART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的行星防御协调办公室设计、建造和操作，该办公室监督该机构在行星防御方面的持续努力。DART是人类首次故意移动一个天体的任务。JPL是位于加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院的一个分部，为NASA的太空通信与导航（SCaN）计划管理DSN，该计划隶属于该机构位于华盛顿的总部的太空运营任务指挥部。https://www.nasa.gov/missions/dart/nasa-study-asteroids-orbit-shape-changed-after-dart-impact/
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