小行星Dimorphos的椭圆状喷出物揭示其表面曲率对动能偏转效率的关键影响

针对行星防御中动能偏转效率的未解难题，研究人员通过分析NASA DART任务撞击小行星Dimorphos的数据，首次揭示其椭圆状喷出物（ejecta plume）由表面曲率主导，导致沿轨道方向的动量传递效率降至44±10%。该研究提出多撞击器策略可优化对小天体的偏转效果，为行星防御技术提供关键理论支撑。

　　

在浩瀚的太阳系中，近地天体(NEO)的潜在威胁始终是悬在人类头顶的达摩克利斯之剑。动能撞击作为最可行的行星防御手段，其效率却受制于目标天体的物理特性——尤其是当撞击坑尺寸与天体曲率相当时，全球尺度曲率对动量传递的影响长期未被量化。NASA的DART任务首次对双小行星系统Didymos的卫星Dimorphos实施动能撞击实验，为破解这一难题提供了绝佳契机。

佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的Masatoshi Hirabayashi团队通过分析DART撞击产生的椭圆状喷出物特征，揭示了表面曲率如何重塑撞击动力学过程。研究发现，Dimorphos南北向的高曲率导致喷出物锥开口角度不对称（θ₁=133±9° vs θ₂=95±6°），使沿轨道方向的动量传递效率较平坦表面降低56%。这项发表于《Nature Communications》的研究，为行星防御策略提供了颠覆性认知：高能单次撞击可能适得其反，而多低能撞击器方案更能适应小天体的曲率特征。

研究团队整合哈勃太空望远镜(HST)和LICIACube立方星的多源观测数据，通过蒙特卡洛模拟重构喷出物锥三维几何结构。采用Maxwell Z模型量化亚表面流场动力学，结合π-标度律计算瞬态撞击坑半径，并引入几何因子P_fl表征曲率效应。验证阶段通过iSALE-2D冲击物理代码模拟不同纵横比椭球体的撞击场景，确保模型可靠性。

主要发现

1. 喷出物锥几何特征：

   撞击后160-195秒的LICIACube图像显示，喷出物锥主轴与Dimorphos南北向存在28±17°偏转，最大喷射距离达54±9米。这种非对称性排除了撞击器太阳帆板（<10米）和表面巨石（如Bodhran巨石）的局部影响，确证全球曲率的主导作用。

2. 动量传递效率损失：

   Maxwell Z模型参数（Z=2.9±0.4，α=3.1×10^-4 hm^(Z+1)/s）表明，高曲率区域喷出物会携带反轨道方向动量，导致净几何因子P_fl降至44±10%。若撞击平坦表面，理论β值可达7.2±3.8，远超实测值3.61±0.25。

3. 小尺寸天体防御启示：

   对99个半径<50米的近地天体模拟显示，沿半长轴撞击（高曲率）的动量传递效率普遍低于半短轴。当目标体强度<10 Pa时，多撞击器方案可使效率提升2-3倍，避免单次高能撞击引发的灾难性破碎（Q_D^*阈值效应）。

结论与展望

该研究首次建立小行星曲率-动量传递的定量关系，修正了传统动能防御模型的认知边界。Dimorphos的案例表明，针对Rubbl e-pile（碎石堆）结构的小天体，需通过快速侦察获取形貌参数，动态优化撞击点位与时机。未来ESA的Hera任务将进一步验证DART撞击坑形态学特征，而本研究提出的多撞击器协同策略，或将成为下一代行星防御任务的设计准则。正如作者强调："选择曲率较低的撞击点位，相当于将防御效率提升一个数量级——这对保护地球免受潜在威胁具有决定性意义。"