首次揭秘双小行星重定向测试撞击 Dimorphos 后喷射物特征形态，开启小行星研究新征程

为深入了解双星小行星系统中喷射物的动力学和演化，米兰理工大学的研究人员对 DART 撞击 Dimorphos 展开研究。他们发现相关特征形成机制，估算出喷射物质量等。这对小行星研究及行星防御意义重大，值得科研人员一读。

　　

2025 年 2 月 14 日，来自意大利米兰理工大学（Politecnico di Milano）的 Fabio Ferrari 等人在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Morphology of ejecta features from the impact on asteroid Dimorphos” 的论文。该研究成果对于深入理解小行星的演化、探索双星系统的奥秘以及行星防御等领域都有着极为重要的意义。

摘要

美国国家航空航天局（NASA）的双小行星重定向测试（Double Asteroid Redirection Test，DART）航天器于 2022 年 9 月 26 日成功撞击了双小行星系统（65803）Didymos 中的较小行星 Dimorphos。此次撞击引发了诸多现象，如弯曲的喷射流和从 Didymos 系统发出的尾巴分叉等，这些特征在数千公里的尺度上清晰可见。研究人员通过分析哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，HST）对撞击事件的观测数据，并结合数值模拟和合成图像生成技术，发现这些特征是喷射物与双星系统以及太阳辐射压力动态相互作用的自然结果。此外，研究还对喷射物的质量、速度和尺寸范围进行了估算，研究结果表明 Dimorphos 是一个非常脆弱的碎石堆小行星，其喷射物质量估计在之间。

研究背景

在太阳系中，小行星的演化一直是天文学研究的重要课题。超高速撞击在小行星的演化进程中扮演着举足轻重的角色，它能使小行星物质喷射出来，部分物质还会重新聚集。然而，以往在双星小行星系统中，喷射物质的动力学和演化过程从未被直接观测到。

DART 撞击 Dimorphos 这一事件为研究人员提供了绝佳的观测机会。地面和太空观测虽然确定了撞击对 Dimorphos 轨道运动的净效应，也识别出了喷射物中的大规模特征，但对于这些特征的动力学起源，以及喷射物的质量、速度和尺寸范围等关键信息，仍有待深入研究。此外，对 Dimorphos 这样的小行星性质的准确了解，不仅有助于我们理解小行星的形成和演化机制，在行星防御方面也具有重要的实用价值，例如为未来应对潜在的小行星撞击威胁提供更可靠的理论依据。因此，开展此项研究意义重大。

研究方法

1. 数值模拟：研究团队利用在米兰理工大学内部开发的数值工具，模拟了 500 万个半径在米范围内的喷射物粒子的动力学过程。在模拟中，考虑了 Didymos、Dimorphos 和太阳的引力作用，以及太阳辐射压力（Solar Radiation Pressure，SRP）的影响。为了确保模拟的准确性和有效性，研究人员运行了 30 组模拟，每组模拟都对粒子的轨迹进行了精确的计算。
2. 合成图像生成：为了与 HST 的观测数据进行对比，研究人员模拟了 HST 的观测过程，生成了合成图像。在生成过程中，精确匹配了 HST 的观测时间、几何条件和光照条件，同时还再现了 HST 观测的光度输出。通过这样的方式，能够直观地比较模拟结果与实际观测的差异。
3. 图像分析与参数确定：研究人员使用 Matlab 中的 “Image Labeler” 工具对 HST 图像进行手动标注，生成了粗标签和高保真标签。粗标签用于计算辐射通量误差，以此来初步筛选合适的模拟参数；高保真标签则用于计算喷射物的形态特征。通过计算模拟图像与 HST 图像的辐射通量误差，研究人员在大量模拟数据中筛选出了与观测数据最为匹配的模拟结果，从而确定了喷射物的质量、速度 - 尺寸分布（Velocity-Size Distribution，VSD）等关键参数。

研究结果

1. 喷射物特征的动力学演化
   • 喷射物圆锥的演化：Didymos 的双星性质使得喷射物圆锥的演化与其他自然撞击事件截然不同。DART 撞击产生的喷射物距离 Didymos 系统的质心约 1.2 千米，由于 Dimorphos 绕主星的轨道运动，喷射物具有 0.169 米 / 秒的平移速度。这使得速度低于 2 米 / 秒的慢速喷射物与 Didymos 发生引力相互作用，形成了一个围绕系统质心顺时针向外螺旋的结构。通过对螺旋结构演化的观测，研究人员能够约束参与螺旋运动的喷射物质量，以及它们的初始速度和尺寸范围。研究发现，参与螺旋运动的喷射物粒子半径大于 295μm，速度可达 2.00 米 / 秒，且螺旋南部臂的质量比北部臂大约 20%，其中包含的粒子速度更慢、尺寸更大。
   • 尾巴的形成与演化：尾巴相关特征的形成与喷射物粒子的动力学密切相关。研究表明，尾巴的质量随着时间增加，因为有更多的喷射物粒子逃离 Didymos 内系统。尾巴形成的时间能够约束其内部粒子的大小，较小的碎片由于太阳辐射压力迅速从系统中喷射出来，形成早期的尾巴，而较大的碎片则在系统内停留更长时间。此外，研究人员还观测到了二次尾巴的形成，模拟结果显示，这是由于慢速喷射物与 Didymos 双星系统的引力相互作用自然产生的，而不是之前认为的需要额外的撞击或碎片事件。
   
   
2. 喷射物的质量和尺寸 - 频率分布
   • 圆锥相关特征的质量和尺寸 - 频率分布：通过对 HST 观测数据的分析，研究人员发现圆锥相关特征的性质能够被很好地约束。根据光度误差分析，圆锥相关特征所需的质量范围在之间（具体取决于尺寸 - 频率分布系数，该系数范围在 - 3 到 - 2.7 之间）。当质量超过，或者尺寸 - 频率分布系数低于 - 3.3，以及质量低于时，圆锥相关特征在渲染图像中不可见，光度误差也会迅速增大。
   • 尾巴相关特征的质量和尺寸 - 频率分布：相比之下，尾巴相关特征的性质较难约束，因为对尾巴有贡献的喷射物总质量中，包含了 14 天后仍靠近 Didymos 的喷射物，这些喷射物在 HST 图像中不可见，无法通过观测进行约束。研究人员通过模拟确定了尾巴相关特征的质量下限，当喷射物质量低于时，尾巴相关特征在模拟的 HST 图像中不可见。综合考虑，研究人员得出喷射物的总质量范围在之间，最佳拟合值为，但这只是一个下限，因为还有大量未被约束的较大喷射物粒子可能仍与 Didymos 系统相连。
   
   

研究结论与讨论

研究人员通过对 DART 撞击 Dimorphos 事件的深入研究，揭示了喷射物特征的动力学起源，精确估算了喷射物的质量、速度和尺寸范围。研究结果表明，Dimorphos 是一个非常脆弱的碎石堆小行星，这一结论与之前基于 LICIACube 近距离观测的研究结果相符。

此次研究中发现的螺旋特征、弯曲的喷射物流、弯曲的尾巴和尾巴分叉等动力学机制，为研究小行星的双星性质提供了新的途径。通过测量这些特征中的振荡时间，研究人员可以约束小行星卫星的轨道，甚至可以用于研究活跃小行星的破裂、裂变和双星形成等动力学过程，而无需额外的喷射物产生事件。这一发现对于深入理解小行星的演化和形成机制具有重要意义。

此外，研究中估算的喷射物质量对撞击过程本身以及 Dimorphos 的性质研究具有重要影响。大量喷射物重新聚集在 Didymos 和 Dimorphos 的表面，这一现象将在 2027 年欧洲航天局（ESA）的 Hera 航天器访问 Didymos 系统时得到进一步观测，有望为约束内部喷射物质量的上限提供新的数据，从而完善对小行星撞击过程和小行星性质的理解。

总的来说，这项研究不仅为小行星演化和双星系统动力学研究提供了重要的数据支持和理论依据，也为未来的行星防御工作奠定了坚实的基础，具有深远的科学意义和应用价值。