有办法可以救恐龙了，可惜晚了6600万年

本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：haibaraemily，编辑：Steed，审核：小龙哈勃、交阯越人，头图来自：视觉中国

北京时间2022年9月27日，对名为狄莫佛斯（Dimorphos）和狄迪莫斯（Didymos）的两颗小行星来说，这原本应是它们悠闲的太阳系游荡生活里，数十亿年如一日的、平平无奇的一天。

两颗小行星组成了一个双星系统，中文也把它们译作孪小星和孪大星。

孪小星（Dimorphos，直径约160米）和它的主星孪大星（Didymos，直径约780米），由DART探测器搭载的DRACO相机在距离小行星约920千米处拍摄 | NASA/Johns Hopkins APL ^[1]

然而，就在这一天的清晨7点14分（北京时间），这份宁静被一枚突然飞来的人类航天器生生打破。上一秒还好端端的孪小星，下一秒就被航天器以超6千米/秒的高速迎头撞上。

肇事航天器的机载“行车记录仪”忠实地拍下了这场太空事故发生前的场景。

孪小星（小的那个）被撞前最后5分半钟的场景，由肇事航天器DART搭载的DRACO相机拍摄。除最后6帧外，视频其他部分做了10倍加速处理。视频后半部分，随着DART的靠近，孪小星逐渐占满整个屏幕，直至最后一张照片只传回了一小部分，DART航天器就撞击身亡了 | NASA/Johns Hopkins APL ^[1]

事故发生后，当事双方均情绪稳定，毕竟肇事航天器已在事故中粉身碎骨，孪小星只能无奈地接受自己突然被改变的星生。

好气啊，但是也没有办法.jpg

正如6600万年前，地球上那群被小行星改变命运的恐龙们一样。

目前关于恐龙灭绝的最为主流的假说，是6600万年前一颗直径超过10千米的小行星/彗星在墨西哥尤卡坦半岛撞出了一个直径超过200千米的陨石坑，并且剧烈影响了当时整个地球的大气和生态环境，进而引起了包括大部分恐龙在内的众多动植物的灭绝——这就是地球上第五次生物大灭绝事件，史称“白垩纪末大灭绝” | stock.adobe.com

好消息是，孪小星上没有任何生命存在，因此没有生命在这次事故中受到伤害。只不过，大块头的地球被小撞一下岿然不动，这颗直径160米的小行星就弱小多了，更容易被外力改变。

DART探测器和小行星Dimorphos示意图的大小对比 | 改编自NASA/Johns Hopkins APL ^[2]

在被撞击后的一个月里，孪小星的外形和轨道都发生了显著的变化——肇事航天器DART（全称“双小行星重定向测试任务”）千里迢迢太空跋涉10个月来撞击小行星，正是为了造成这些变化。（关于DART任务的发射和基本情况详见：撞小行星，为恐龙复仇！人类启动首次行星防御演习）

（上）双小行星重定向测试任务DART撞击小行星示意图；（下）DART航天器外形实拍，卷轴式太阳能电池板尚未展开 |NASA/Johns Hopkins APL ^[2]

事故现场

2022年9月11日，实施撞击的15天前，DART航天器预先分离出一颗立方星LICIACube（念LEE-cha-cube）。

这颗6U立方星由意大利空间局研制，可以用自己的推进系统调整轨道（推力50mN、比冲40s），在撞击发生的几分钟后近距离飞掠孪小星，用自己携带的相机确认撞击情况。

（上）DART探测器分离立方星LICIACube示意动画 | NASA/Johns Hopkins APL ^[2]

（下）LICIACube立方星实拍 | NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman [3]

立方星LICIACube上搭载了两台光学相机：窄视场的黑白相机LEIA和宽视场的彩色（RGB-IR）相机LUKE。

撞击发生165秒后，LICIACube近距离飞掠事故现场，在DART航天器阵亡之后接力完成了对孪小星的观测。

LUKE相机拍摄到撞击发生后，大量被撞出的物质从孪小星的四周溅射而出，宛如“烟花”一般在太空中“绽放”开来。

立方星LICIACube逐渐靠近又远离两颗小行星的画面，下方的是孪小星，距双星系统最近时距离仅有56.7公里 | ASI/NASA ^[2]

LEIA相机也拍摄到：孪小星在被撞后迅速变亮。

亮度变化不大的是孪大星，看样子倒是没有受到什么牵连，拍摄于1020公里距离处 | ASI/NASA ^[2]

在立方星LICIACube最早发布的影像里，两颗小行星严重过曝，显得这个意大利的相机不太聪明的亚子。

ASI/NASA/Alexandra Witze ^[4]

好在这些影像处理处理效果还是很惊艳的，被撞出的溅射物在孪小星周围形成的辐射线都清晰可辨，延伸出数倍于小行星直径的范围。

ASI/NASA/APL ^[5]

DART撞上孪小星时，质量只有大约570千克，据估算还不到孪小星质量的100万分之一。明明只是“蚍蜉”撞“大树”，却能造成如此“惨烈”的事故现场，这一方面是超过6 千米/秒的撞击速度属实可观，另一方面，也得“怪”孪小星自己不够结实。

在DART航天器撞击前传回的的孪小星近距离影像里，这颗直径约160米的小行星表面碎石嶙峋，是一类典型的被称为“碎石堆型”（rubble pile）的小行星。

DART探测器携带的DRACO相机在撞击前11秒，距离孪小星68公里处拍摄的孪小星表面 | NASA/Johns Hopkins APL ^[1]

这类小行星质地松散，密度低，孔隙率高，可以理解为是众多大大小小的石块通过微弱的引力聚集在一起形成的小行星。石块彼此之间的“粘合力”很弱，随便被撞一下，抖几抖，都可能会簌簌地掉落。

因此，当行星科学家看到孪小星表面的影像时，就已经对孪小星惨烈的事故现场有充分的心理预期了。毕竟，在此之前，人类航天器已经近距离探访过好几颗碎石堆型小行星，对它们的性质相当不陌生了。

我们之前介绍过的，隼鸟号探访过的糸川（535 米 × 294 米 × 209 米）、隼鸟2号探访过的龙宫（直径约900米）、冥王号探访过的贝努（直径约500米），都是碎石堆型小行星。

JAXA、NASA

如果忽略亮度和色调上的差异（孪小星是S型，贝努是C型，成分不同），你甚至一时难以分辨这到底是哪颗小行星的表面。

（上）DART探测器DRACO相机撞击前拍摄的孪小星表面，图幅约30米 | NASA/JHUAPL/JPMajor ^[6]

（下）冥王号PolyCam相机2019年3月21日拍摄的小行星贝努表面。图幅48.3米，左上角亮色石块7.4米宽 | NASA/Goddard/University of Arizona ^[7]

近些年对小行星的地基和抵近探测证据表明，直径在百米量级的小行星大多都是这样质地疏松的“碎石堆”结构。这对人类来说是个好消息——这类小行星是“虚胖”的，即使将来万一要来撞地球了，人类科技也能相对容易地改变甚至摧毁它们。

总之，近距离确认完事故现场之后，立方星LICIACube事了拂衣去，从此离开了这对双小行星。

接下来，就交给地球望远镜们吃瓜看戏了。

地球望远镜各显神通

为了好好观察这次难得的撞击，众多地基望远镜和环绕地球的空间望远镜都摩拳擦掌，严阵以待。在这些望远镜的观测分辨率下，孪大星和孪小星无法分辨开来，因此我们看到的是双星系统整体的亮度变化。

计划开展孪小星撞后观测的地基和空间望远镜分布，当然，有些最终没有成功拍到 | Johns Hopkins University Applied Physics Lab

以下是成果展示时间：

撞击发生时，当地时间已经天亮了的地方当然是拍不到啥的（毕竟已经北京时间早上7点多了喂）；当地时间还是夜晚的地区里，位于地球南半球的望远镜观测条件更为优越，因此也更容易抓住撞击前后的珍贵瞬间。

意大利的虚拟望远镜计划使用南非Klien Karoo天文台12寸望远镜，跟踪拍摄到了撞击发生前后孪大星-孪小星系统的亮度变化，可以明显看到撞击之后喷出的物质像云团一样笼罩在双星系统的左侧。

撞击时刻是UTC时间2022年09月26日23:14，动图持续时间是23:07-23:26共19分钟，溅射物在大约23:19开始出现 | Gianluca Masi (Virtual Telescope)， Berto Monard (Klein Karoo Observatory) ^[8]

动图，移动的小点是孪大星-孪小星系统。

Gianluca Masi (Virtual Telescope)， Berto Monard (Klein Karoo Observatory) ^[8]

位于印度洋留尼汪岛上的Les Makes天文台拍摄到：小行星几乎在被撞的瞬间就开始变亮，数秒后就已经非常明亮，撞击抛出的溅射物不到一分钟就扩散成了云团一般的形态，并开始向东运动并慢慢消散。

Les Makes天文台拍摄的撞击发生几秒后到半个小时里，双星系统亮度的剧烈变化。反复播放了3遍 | Les Makes observatory， J. Berthier， F. Vachier / T. Santana-Ros / ESA NEOCC， D. Föhring， E. Petrescu， M. Micheli ^[9]

南非天文台（SAAO）和致力于小行星巡天的ATLAS计划（Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System）也分别拍摄到了类似的景象。

南非天文台拍摄▼

使用位于南非萨瑟兰的1米口径Lesedi望远镜拍摄 | Nicolas Erasmus (SAAO) ， Amanda Sickafoose (PSI) ^[11]

ATLAS计划拍摄▼

使用位于南非萨瑟兰的0.5米口径望远镜拍摄。ATLAS计划由NASA和夏威夷大学共同运营，本次是用位于南非萨瑟兰的望远镜拍摄的，整个动图持续时间约2小时 | ATLAS ^[11]

此外，还有一些小口径的望远镜也拍到了被撞后的双星变化，例如下面这段在以色列Neot Smadar用11英寸望远镜拍到的场景，对如此小口径的望远镜来说，效果可以称得上惊人。

拍摄：Eran Ofek and David Polishook ^[12]

但相比于地基望远镜，更惊艳的还得看NASA的空间望远镜双壁：哈勃和詹姆斯‧韦布。撞击后的几个小时里，两台空间望远镜分别拍摄到了双星系统在可见光和红外波段的照片，撞击飞溅出的物质明亮耀眼。这也是两大望远镜首次同时观测太空中的同一个目标。

哈勃（左，可见光波段）和詹姆斯韦布（右，红外波段）空间望远镜拍摄的被撞后几小时的双星系统，可见双星四周撞击飞溅出的物质形成的明亮辐射线 | NASA， ESA， CSA， Jian-Yang Li (PSI)， Cristina Thomas (Northern Arizona University)， Ian Wong (NASA-GSFC)， Joseph DePasquale (STScI)， Alyssa Pagan (STScI) ^[13]

哈勃在撞击前后的首轮观测中共拍摄了45张影像，清晰记录下孪小星在被撞后，周围飞溅出的溅射物逐渐变多，逐渐变亮的过程。这些明亮的溅射物条纹在撞击发生的8个小时后还没有减弱。

哈勃空间望远镜拍摄的孪小星被撞后22分钟（左）、5小时（中）和8.2小时（右）后溅射物的变化，左侧为DART航天器的撞击方向 | NASA， ESA， 李荐扬 (PSI)， Alyssa Pagan (STScI) [13]

动图更明显▼

哈勃空间望远镜在孪小星被撞后22分钟、5小时和8.2小时拍摄的三张影像合成的动图，孪大星-孪小星系统的亮度增加了3倍 | NASA， ESA， Jian-Yang Li (PSI)， Alyssa Pagan (STScI) ^[13]

韦布在撞击前后开展了5个小时的观测，首轮共拍摄了10张影像，红外波段下溅射物的扩散规模更大，这是因为相比于可见光，红外波段下能够看到更多尘埃。（尘埃的亮度在红外波段与其尺寸的平方成正比，在可见光波段与其尺寸的平方和反照率的乘积成正比，小天体尘埃颗粒在可见光波段的反照率都很低，因此在红外波段更亮。）

韦布空间望远镜在孪小星被撞后5小时里拍摄的多张影像合成的动图 | NASA， ESA， CSA， Cristina Thomas (Northern Arizona University)， Ian Wong (NASA-GSFC)， Joseph DePasquale (STScI) ^[13]

受限于地理位置，以及望远镜性能、天气等因素的限制，最终只有少数幸运的地基望远镜成功拍摄到了撞后几分钟的变化。好在撞出的“烟花”够大够持久，其他地基望远镜也有事后拍摄到的机会。

例如：

撞击发生22个小时后，星明天文台用0.6米口径的NEXT望远镜拍摄到了孪大星-孪小星系统。尽管双星系统此时的位置对位于新疆的NEXT望远镜来说观测条件并不理想，但影像中还是能看明显到一些撞出的溅射物羽流。

NEXT望远镜全称“宁波市教育局-新疆天文台望远镜”，主要目标为小行星、变星测光、GRB快速反应观测。撞击时刻是UTC时间2022年09月26日23:14，此图的观测时间是UTC时间9月27日21:31-22:30 | @新疆高兴天文 拍摄，@交阯越人 供图

撞击发生29个小时后，位于智利的望远镜在线天文台（Telescope Live Observatory）拍摄到双星系统周围环绕的溅射物，而且隐隐可见其中一个方向的溅射物开始拉长。

E. Guido， M. Rocchetto， G. Savini， S. Fossey， Telescope Live ^[14]

孪小星又开始变身了。

长出了“尾巴”，还是两条

撞击两天后，位于智利的SOAR望远镜拍摄到：孪小星附近飞出的撞击溅射物微弱了不少，但还没有完全消散。一条超过9600千米长的“尾巴”已然形成，这是一部分溅射出的尘埃被太阳辐射压力“推动”产生的，类似彗星的“尾巴”。

SOAR望远镜由美国光学-红外天文学研究实验室（NOIRLab）运营 | CTIO /NOIRLab /SOAR /NSF /AURA /T. Kareta (Lowell Observatory)， M. Knight (US Naval Academy) ^[5]

更奇妙的是，2022年10月8日，撞击发生285个小时后，哈勃空间望远镜发现：孪小星竟然又长出了第二条“尾巴”！

尘埃尾之外其他方向的蓝色辐射状条纹是衍射纹，也就是哈勃望远镜拍出来的所谓“星芒” | 改编自：NASA/ESA/STScI/Hubble ^[15]

两条“尾巴”至少持续到哈勃10月11日的观测时都还清晰可辨。

哈勃空间望远镜WFC3相机在2022年10月8日和11日拍摄的双星系统影像对比，DART航天器的撞击来自10点钟方向，两条“尾巴”向着太阳-小行星连线的延长线方向延伸 | NASA， ESA， STScI， Jian-Yang Li (PSI)/Joseph DePasquale ^[15]

虽说长出尾巴这种事，对彗星来说是常规操作，但彗尾和孪小星的尾巴还是挺不一样的。

彗星在飞到太阳附近的时候，彗核中被低温封印住的挥发物和尘埃会被太阳唤醒，生出云团一般的彗发和长长的彗尾。彗尾也常常分叉成两条：一条是太阳风推动彗发中的气体和等离子形成的“气体尾”（gas tail），也叫“离子尾”（ion tail），出现在背向太阳的方向；另一条是太阳辐射压力推动彗发中的尘埃颗粒形成的“尘埃尾”（dust tail），大体出现在彗星飞行轨迹的后方和离子尾之间。

离子尾（Gas tail）和尘埃尾（Dust tail）方向示意图 | Юкатан

因为不同大小的尘埃颗粒受太阳辐射压力的影响不同，尘埃尾通常分布范围更广，还有一定的弧度。

彗星的离子尾（蓝色）和尘埃尾（黄灰色）| 拍摄：Jerry Lodriguss

但孪小星的尾巴显然不是挥发产生的，两条尘埃尾与彗星典型的尘埃尾和离子尾形态也有明显差异。对孪小星来说，生出两条尘埃尾怎么回事？个中缘由，行星科学家目前还在探索之中。

真的变短了！

“烟花”固然好看，但DART任务千里迢迢跑来撞小行星，可不止这一点小野心。

它想知道的是：人类航天器通过有限能量的主动撞击，能让小行星的轨道改变多少。这样将来万一真的有小行星来撞地球，人类也好对自己的科技水平可否与小行星一战心中有数。

这也是全称“双小行星重定向”的DART任务选中孪小星作为撞击目标的主要原因：双小行星系统的轨道变化更容易观测到。

按照原本的计算，DART航天器此次撞击可以将孪小星在双星系统中的轨道周期从原本的11小时55分钟再缩短上好几分钟。

对如何观测到这几分钟的微小周期变化，DART任务团队也早有安排。

小行星虽然不发光，但能反射太阳光。对于孪大星-孪小星双星系统，当孪小星飞入孪大星的阴影时，两颗小行星总体的反射亮度会有一个较大的降低；当孪小星飞过孪大星前方时，又会周期性地遮挡住一部分孪大星的反射光（也就是“凌”），导致双星总体的亮度有一个较小程度的降低。

地基天文望远镜通过持续观测双星系统的亮度，就可以通过亮度变化的周期来确认撞击发生之后伴星孪小星环绕主星孪大星的新周期——这可比观测一颗孤零零的小行星微小的轨道变化要容易多了。

孪小星环绕孪大星的过程中，从地球看到的双星系统亮度变化示意图。通过持续监测亮度，地面望远镜便可以测定孪小星的轨道周期 | NASA/APL/UMD ^[5]

然而，最终观测到的周期变化还是大大超出了DART任务的预期。

经过长达十多天的反复观测，遍布全世界的多个天文台、大学和科研机构协作，共同观测出了孪小星被撞后的新周期：11小时23分钟——不仅真的变短了，而且变短了足足32分钟！

2022年9月27日到10月6日期间测量的孪大星-孪小星系统的亮度变化信息 | NASA、约翰霍普金斯APL、捷克科学院天文研究所、罗威尔天文台、JPL、拉斯坎布雷斯天文台、拉斯坎帕纳斯天文台、欧洲南方天文台丹麦1.54米望远镜、爱丁堡大学、开放大学、圣康塞普西翁天主教大学、首尔国立天文台、安托法加斯塔大学、汉堡大学、北亚利桑那大学 ^[5] 

除了亮度观测，NASA位于加利福利亚州的戈德斯通行星雷达和美国国家基金会位于西维吉尼亚州的绿岸天文台，也通过雷达对双星系统的位置变化进行了观测，证实孪小星的轨道周期确实已经被改变了。 谁叫之前观测孪大星-孪小星系统的阿雷西博天文台倒闭了呢。

2022年10月4日和9日，双星系统雷达影像中的位置变化，如下图所示。

2022年10月4日的数据由NASA戈德斯通行星雷达观测，10月9日的数据由戈德斯通和绿岸天文台雷达联合观测 | 改编自：NASA/Johns Hopkins APL/JPL/NASA JPL Goldstone Planetary Radar/National Science Foundation’s Green Bank Observatory ^[5]

在这两天的雷达影像中，孪小星都没有出现在原本应该出现的位置。

改编自：NASA/Johns Hopkins APL/JPL/NASA JPL Goldstone Planetary Radar/National Science Foundation’s Green Bank Observatory ^[5]

总之，明明白白，清楚无疑，人类首次行星防御任务大获成功，这颗小行星的轨道确实被改变了。

一如它的星生，从被DART任务选中来撞击的那一刻起，它就再也不是茫茫星海里一颗籍籍无名的小行星了。

 一个月后：“尾巴”还在，只是……

对孪小星的观测还没有停止。

尽管孪小星周围的溅射物“云团”已经逐渐散去，但形成的尘埃尾格外持久。

10月26日（北京时间），撞击发生29天后，星明天文台NEXT望远镜拍到的孪小星长长的“尾巴”。

图中为UTC时间 | @新疆高兴天文 拍摄，@交阯越人 供图

10月27日，撞击发生一个月后，意大利斯基亚帕雷利天文台84厘米口径望远镜拍到的孪小星“尾巴”。

Luca Buzzi， Andrea Aletti

这条尘埃尾还会持续多久？碎石堆型小行星有多容易喷射出砂砾和尘埃，变身为拖着尾巴的“活跃小行星”？这些都是值得行星科学家进一步观测和探讨的课题。

只是，所有关于孪小星表面的故事，都暂时停止在了DART航天器撞击的那一刻。

没有任何一个地基或空间望远镜，有能力拍摄到孪小星表面的高清影像。DART航天器的撞击到底把孪小星表面撞成了啥样，只能等待它的继任者，欧空局的赫拉号来揭开谜底。

赫拉号计划于2024年搭乘SpaceX猎鹰9号火箭发射，2026年抵达孪大星-孪小星系统。届时，这对小行星将成为首对被人类探测器两度近距离探测过的小行星。

赫拉号探测孪小星示意图 | ESA

正如这张DART任务在撞击前的最后一刻努力传回，但最终没能传完的照片，仿佛在无声诉说着“未完待续”，期盼着新的探测器来续写辉煌。

DART探测器传回的最后一张影像，由DART探测器搭载的DRACO相机在撞击前1秒拍摄，此时航天器距离小行星表面约6千米。红色部分是尚未传回就中断的影像 | NASA/Johns Hopkins APL ^[1]

参考文献

[1] NASA | DART’s Final Images Prior to Impact 

https://www.nasa.gov/feature/dart-s-final-images-prior-to-impact

[2] https://dart.jhuapl.edu/Gallery/

[3] NASA | DART Gets Its CubeSat Companion， Its Last Major Piece 

https://www.nasa.gov/feature/dart-gets-its-cubesat-companion-its-last-major-piece

[4] NASA | First Images from Italian Space Agency’s LICIACube Satellite 

https://www.nasa.gov/feature/first-images-from-italian-space-agency-s-liciacube-satellite

[5] NASA | NASA DART Imagery Shows Changed Orbit of Target Asteroid 

https://www.nasa.gov/feature/nasa-dart-imagery-shows-changed-orbit-of-target-asteroid

NASA | NASA Confirms DART Mission Impact Changed Asteroid’s Motion in Space

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-confirms-dart-mission-impact-changed-asteroid-s-motion-in-space

[6] 2022.09.27 Jason Major's Twitter

https://twitter.com/JPMajor/status/1574775697431793666?s

[7] NASA | NASA Mission Helps Solve a Mystery: Why Are Some Asteroid Surfaces Rocky? 

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-mission-helps-solve-a-mystery-why-are-some-asteroid-surfaces-rocky

[8] Double Asteroid Redirection Test (DART) impacted on Didymos/Dimorphos… and it was a huge show!

https://www.virtualtelescope.eu/2022/09/27/double-asteroid-redirection-test-dart-impacted-on-didymos-dimorphos-and-it-was-a-huge-show/

[9] ESA | DART asteroid impact impresses in ESA’s view from the ground

https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Videos/2022/09/DART_asteroid_impact_impresses_in_ESA_s_view_from_the_ground

https://twitter.com/esaoperations/status/1574774088794521600?s

[10] 2022.09.27 SAAO's Twitter

https://twitter.com/SAAO/status/1574688994201255936?s

[11] 2022.09.27 ATLAS Project's Twitter

https://twitter.com/fallingstarIfA/status/1574583529731670021?s

2022.09.28 ATLAS Project's Twitter

https://twitter.com/fallingstarIfA/status/1574828954980159493?s

[12] 2022.09.27 David Polishook's Twitter

https://twitter.com/DPolishook/status/1574727091307831296?s

[13] NASA | Webb， Hubble Capture Detailed Views of DART Impact

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/webb-hubble-capture-detailed-views-of-dart-impact[14] 2022.09.28 Ernesto Guido's Twitter

https://twitter.com/comets77/status/1575118862978355201?s

[15] NASA’s Hubble Spots Twin Tails in New Image After DART Impact

https://hubblesite.org/contents/news-releases/2022/news-2022-056

https://www.nasa.gov/feature/nasa-s-hubble-spots-twin-tails-in-new-image-after-dart-impact

本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：haibaraemily，编辑：Steed