小行星双形态撞击喷射物动力学特征揭示Dimorphos的碎石堆结构

NASA的DART任务成功撞击双小行星系统Didymos的卫星Dimorphos后，国际团队通过哈勃太空望远镜观测和数值模拟，首次揭示了双星系统中喷射物的螺旋结构、分叉尾迹等动力学特征。研究证实Dimorphos是强度极低的碎石堆天体，喷射物质量达1.9×107kg，为行星防御和双星系统演化研究提供了关键数据。成果发表于《Nature Communications》。

　　

在浩瀚的太阳系中，小行星间的碰撞如同宇宙中的交响乐章，塑造着这些小天体的命运。然而，人类从未直接观测过双小行星系统中撞击喷射物的动态演化过程，这限制了对小行星物理特性及轨道扰动机制的理解。2022年9月26日，NASA的双小行星重定向测试(DART)任务创造了历史——飞船以超高速撞击了双星系统(65803) Didymos的卫星Dimorphos，为科学家提供了前所未有的研究机会。

米兰理工大学航空航天科技系领衔的国际团队，通过哈勃太空望远镜(HST)观测和数值模拟，首次系统揭示了双星系统中撞击喷射物的独特动力学行为。研究发现，Dimorphos撞击产生的喷射物形成了长达数千公里的复杂结构，包括弯曲喷射流和分叉尾迹，这些特征源于喷射物与双星系统的引力相互作用及太阳辐射压(SRP)的共同影响。相关成果发表在《Nature Communications》上，为行星防御策略和小行星演化研究提供了关键数据。

研究团队采用多尺度数值模拟技术，构建了包含500万颗喷射物颗粒的高保真动力学模型。通过匹配HST观测几何和光度条件，生成合成图像进行定量比对。关键方法包括：1)建立速度-尺寸分布(VSD)模型，关联颗粒初速度与半径关系；2)开发辐射压力主导的动力学传播算法；3)采用图像补偿技术处理大规模喷射物群体；4)基于光度分析约束喷射物质量和尺寸频率分布(dSFD)。

螺旋特征的形成机制

模拟显示，喷射锥在Didymos引力场中形成向外顺时针旋转的螺旋结构。速度低于24.8 cm/s的喷射物进入环绕Didymos的椭圆轨道，而更快颗粒则逃逸系统。南部螺旋臂比北部质量高20%，包含更大更慢的颗粒，这与太阳几何位置导致的SRP差异有关。螺旋运动涉及2.4×10⁶kg喷射物，颗粒半径>295μm，速度达2.00 m/s。

尾迹分叉的动力学起源

观测到的尾迹分叉现象源于慢速喷射物与双星系统的引力相互作用，无需额外撞击事件解释。约1.7×10⁷kg喷射物参与尾迹形成，初始速度仅数m/s。尾部振荡周期与双星轨道周期相关，成为系统动力学的"指纹"。cm级颗粒在撞击后8-12天重返观测视场，形成独特的周期性特征。

喷射物质量与物理特性

通过光度误差分析约束，总喷射物质量达(1.1-5.5)×10⁷kg，最佳拟合值1.9×10⁷kg（相当于Dimorphos质量的0.4%）。dSFD指数为-2.7，表明小颗粒占主导。值得注意的是，8.4×10⁶kg物质快速再吸积，未被计入逃逸质量。这些数据支持Dimorphos是几乎无内聚力的碎石堆结构。

这项研究开创性地揭示了双星系统中撞击喷射物的演化规律，证明特征形态可反推双星轨道参数。Fabio Ferrari团队提出的动力学标志可用于：1)探测未知双星系统；2)诊断小行星分裂事件；3)优化行星防御策略。ESA的Hera任务将进一步验证这些发现，为人类应对小行星威胁积累关键知识。该成果不仅深化了对小行星碰撞物理过程的理解，也为未来小天体探测任务提供了新的分析范式。