DART任务撞击后Didymos-Dimorphos双小行星系统的光谱学洞察：揭示撞击引起的表面变化与尘埃演化

《Nature Communications》：Spectroscopic insights into the near-earth didymos-dimorphos binary system following the double asteroid redirection test (DART) mission impact

本文针对NASA的DART任务撞击Dimorphos后，双小行星系统Didymos-Dimorphos的表面成分与尘埃环境变化问题，开展了可见光波段（500-900 nm）的旋转分辨光谱观测研究。研究结果表明，撞击后光谱整体与撞击前S型分类一致，但发现了可能与相互事件（secondary eclipse/occultation）相关的微小光谱斜率变化，以及从10月到12月的长期颜色变红趋势，这被解释为撞击产生的尘埃云粒度演化或新鲜物质不均匀沉积的结果。该研究为理解小行星撞击物理过程、表面改造及双星系统演化提供了关键光谱学证据，对行星防御与天体物理学具有重要意义。

　　

在浩瀚的太阳系中，近地小行星对地球构成潜在威胁，行星防御因此成为全球关注的焦点。2022年9月26日，人类历史上首次行星防御实战测试——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）任务取得了成功，其探测器以高超音速主动撞击了双小行星系统(65803) Didymos的卫星Dimorphos。这次撞击不仅将Dimorphos绕Didymos的公转周期缩短了约33分钟，证明了动能撞击技术偏转小行星轨道的可行性，更在目标天体周围创造了一个持续数月、不断演化的复杂尘埃环境。然而，一个关键科学问题随之浮现：这次史无前例的撞击究竟对Didymos-Dimorphos系统的表面物理性质和化学成分产生了怎样的影响？撞击暴露出的新鲜物质与产生的尘埃云，是否会改变我们通过望远镜观测到的光谱特征？

尽管在DART撞击前，国际天文学界已通过多次观测机会对Didymos系统进行了研究，但其光谱分类一度存在争议，早期可见光谱将其归类为Xk型，而近红外（NIR）数据则支持其更符合S型小行星的特征，与普通球粒陨石（L/LL型）有亲缘关系。此外，撞击前的研究曾暗示Didymos表面可能存在微小光谱变化，但受限于观测条件，其是否源于表面成分不均一性尚不明确。对于双星系统而言，当两颗子星发生相互事件（如互食、互掩）时，其综合光谱会变得复杂。更重要的是，DART撞击之后，持续存在的尘埃云成为系统光谱的新贡献者，这使得从地面望远镜数据中剥离出天体本身的表面特性、区分撞击效应与固有属性变得极具挑战性。

为了解决这些问题，一个由意大利帕多瓦大学Monica Lazzarin博士领导的大型国际团队，在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。他们利用位于意大利阿西亚戈的1.80米Copernico望远镜、美国亚利桑那州的大型双筒望远镜（LBT）和西班牙拉帕尔马岛的10.4米加那利大型望远镜（GTC），在DART撞击后约25天（2022年10月）和三个月（2022年12月）对Didymos系统进行了高时间分辨率的可见光光谱观测。研究团队获取了23条覆盖Didymos自转周期（2.26小时）的光谱数据，并进行了精细的几何分析，将每条光谱与其获取时刻双星系统的瞬时几何状态（如相互事件、日照与观测区域）精确关联，以期揭示撞击后系统表面成分的潜在异质性及尘埃云的演化特征。

为开展此项研究，作者团队主要应用了几项关键技术方法：首先，利用地面中型至大型望远镜（Copernico, LBT, GTC）及其配备的光谱仪（如AFOSC, MODS, OSIRIS）进行可见光波段（500-900 nm）观测，并通过沿视差角放置狭缝以减少大气色散影响。其次，采用标准的天文数据 reduction 流程（使用IRAF、SIPGI等软件）进行波长定标、流量提取、大气消光校正和太阳光谱去除。第三，基于最新的DART后轨道星历（SPICE内核），计算每次光谱观测时双星系统的精确几何参数（相位角、次地球点、次太阳点）和相互事件（SE：次食，Dimorphos进入Didymos阴影；SO：次掩，Dimorphos被Didymos遮挡）。最后，通过绘制表面覆盖图，可视化每次观测所对应的Didymos和Dimorphos表面的瞬时光照与可视区域，并与光谱斜率变化进行关联分析。观测数据已公开。

结果

光谱一致性确认与S型分类

研究获得的23条光谱，无论是在撞击后约一个月的10月，还是三个月后的12月，均与撞击前的光谱高度一致，确认了Didymos-Dimorphos系统属于S型小行星（Bus-Binzel分类）。来自不同望远镜（LBT, GTC）的独立观测数据也与此结论相符，支持了测量结果的可靠性。这表明，尽管经历了DART撞击的巨大扰动，该系统的基本矿物学组成（以硅酸盐为主）并未发生根本性改变。

光谱斜率的微妙变化

研究人员计算了所有光谱在600-700 nm波段的斜率（%/1000 ?）。尽管所有斜率值在误差范围内基本一致，但分析揭示了两种微妙的变化趋势。首先，从10月到12月，光谱斜率呈现出轻微的长期红化趋势（平均斜率从9.82%/1000 ?增至13.94%/1000 ?）。其次，在观测期间发生的相互事件（主要是次食SE）中，光谱斜率表现出相对降低的特征。例如，10月发生在SE内的光谱斜率平均值（5.9%/1000 ?）比非事件期间低约4%/1000 ?；12月的数据也显示出类似规律（SE内平均斜率为9.64%/1000 ?，低于非事件平均值）。

几何分析与表面覆盖图

通过对每次光谱观测进行精确的几何重建，研究团队绘制了相应的Didymos和Dimorphos表面覆盖图。结果显示，10月的观测主要覆盖了两个天体的南半球（次地球纬度为负值），而12月的观测则主要覆盖了北半球（次地球纬度为正值）。由于Didymos自转较快，其经度覆盖在两次观测期内都近乎完整。Dimorphos的自转较慢（约11.9小时），其表面经度覆盖变化较缓。DART撞击点（约位于Dimorphos经度90°E）在10月的大部分观测中处于不可见或未被照亮状态，但在12月的许多观测中变得可见。对比表面覆盖图发现，光谱斜率的短期变化（如发生在SE期间的低斜率）与Didymos表面的经度覆盖差异无关，暗示变化可能源于Dimorphos或其尘埃云被暂时遮挡。

讨论与结论

该研究的主要结论是，DART撞击后Didymos-Dimorphos系统的可见光光谱整体上保持了S型小行星的特征，与撞击前一致，支持了双星系统形成于同一母体的理论。然而，研究揭示了此前未被充分认识的微妙变化。

对于观测到的长期光谱红化（10月到12月），研究者提出了两种可能的解释。其一，可能与撞击产生的尘埃云的演化有关。撞击初期，尘埃云中含有大量细小的、散射特性偏蓝的颗粒，这些颗粒在太阳光压作用下迅速消散。随着时间的推移，残留的、较大的颗粒（其散射特性通常偏红）在系统中存留更久，从而导致整体光谱变红。其二，这可能反映了Didymos表面南北半球存在的成分差异或撞击后溅射物沉积的不均匀性。由于10月和12月的观测分别主要针对南、北半球，这种红化可能意味着北极区域原本就比南极更红，或者撞击暴露的新鲜物质在北极区域沉积更多。

对于相互事件（特别是次食SE）期间观测到的光谱斜率暂时降低现象，其重复出现于10月和12月的数据中，强烈暗示这是一种真实的物理效应。这很可能是因为在次食期间，Dimorphos及其周围的尘埃云被Didymos遮挡或处于其阴影中，暂时不再对系统的总反射光贡献其（可能略偏红）的光谱信号，从而导致观测到的综合光谱略微变平（斜率降低）。这一发现强调了在分析双小行星系统光谱时，精确考虑瞬时几何状态的重要性。

此外，研究者排除了相位红化（phase reddening）是导致长期变化的主因。虽然10月观测相位角（76°）远大于12月（17°），理论上应导致10月光谱更红，但估算的S型小行星相位红化效应量级（约0.01%/1000 ?/度）远小于观测到的变化，且此前研究也未在Didymos系统发现明显的相位红化证据。

总之，这项研究通过对DART撞击后Didymos系统进行精细的时序光谱观测与几何分析，首次详细揭示了撞击事件在光谱特性上留下的微妙印记。这些变化可能与尘埃云的粒度演化、表面成分的纬度差异或撞击溅射物的不均匀分布有关。该工作不仅增进了我们对动能撞击这一行星防御技术所产生效应的理解，也为未来欧空局（ESA）Hera任务2027年抵达该系统的详细探测提供了重要的前期光谱学基准。Hera任务将能够实地验证这些基于地面观测的推论，并最终揭示Didymos和Dimorphos表面是否存在固有的或撞击诱发的成分不均一性，从而为双小行星系统的形成与演化模型提供新的约束。