Didymos与Dimorphos：人类移动的第一颗小行星卫星

Didymos，双胞胎，及其影子Dimorphos

一对近地小行星

双星系统Didymos–Dimorphos是一对属于S型近地小行星（太阳系中的小型岩石和金属天体）类别的小行星。 Didymos（源自希腊语“双胞胎”）于1996年被发现，直径约780米，自转周期为2.26小时。 其伴星Dimorphos（源自希腊语“两种形态”）直径约160米，以平均距离1.18公里、轨道周期11小时55分绕Didymos运行。

注：
S型近地小行星是富含硅酸盐和金属的小行星，主要由橄榄石和辉石组成。 其高反照率（\(0.20 <p_V <0.35\)）表明表面相对年轻。 像Didymos这样的天体，在太阳系内部区域很常见，属于NEO（near-Earth Objects）家族。

相互轨道上的碎石堆

这两颗小行星形成了一个不可分割的组合，由它们微弱的引力保持在一起。 它们不是坚固的岩石块，而是碎石堆（仅由引力结合的碎片聚集体），已经聚集在一起，这使得它们非常脆弱且形状不规则。 换句话说，它们是两堆由微小引力保持在一起的小石子。

非对称的引力动力学

Didymos–Dimorphos系统的科学意义在于其轨道稳定性以及两个天体之间显著的质量对比（质量比约为1:35）。 “双胞胎”Didymos以其引力主导系统，而较小的Dimorphos则充当天然卫星，其表面不断受到来自其主星的光流和阴影的交替。

注：
“Dimorphos”这个名字在古希腊语中字面意思是“具有两种形态”。 它指的是该天体的双重性质：天然卫星和实验目标，其形状和轨道因DART撞击而改变。

实验背景：DART、目标和测量

DART任务的理想目标

该系统的几何结构使得可以利用从地球观测到的掩星和光照效应精确测量轨道周期的变化。 正是这一特殊性使NASA在2022年的DART（Double Asteroid Redirection Test）任务成为可能，该任务旨在测试通过动能撞击进行轨道偏转。 因此，对Didymos及其“影子”Dimorphos的研究为理解小天体的内部凝聚力和太阳系中双星系统的复杂动力学提供了自然模型。

与Dimorphos的撞击

DART任务（动能撞击）于2022年9月26日撞击Dimorphos，以展示通过受控动能撞击改变近地天体轨道的能力。 选择Didymos–Dimorphos双星系统允许精确测量：撞击前后卫星的轨道周期可以通过相互掩星从地球进行光度测量。 综合分析显示周期缩短了约33分钟（−33.0 ± 1.0 分钟）。

轨道变化的物理方面

开普勒定律和轨道周期

对于紧密双星系统，轨道周期\(T\)与平均距离\(a\)和总质量\(M\)通过适应小质量的开普勒第三定律的简化形式相关：\(\; T = 2\pi \sqrt{\dfrac{a^{3}}{G M}}\;\)。
天文学的基本定律： 开普勒提出了一条简单的引力规则，它说：物体离它所环绕的对象越近，它旋转得越快。这对地球绕太阳、月球绕地球以及Dimorphos绕Didymos都成立。

撞击的效果：减速

DART任务并没有像人们常认为的那样将Dimorphos向侧面“推”。它主要在其轨道上使其减速。

结果：更低更快的轨道

通过使其减速，DART让Dimorphos失去了一部分使其能够保持在轨道上的能量。结果：它无法再像以前那样抵抗Didymos的引力，从而靠近了。 而根据开普勒定律，靠近时其轨道速度增加了。“更短的距离”+“更高的速度”的组合意味着完成一圈的总时间（轨道周期）本身减少了。

观测到的结果

这正是所测量到的：Dimorphos的轨道变得更小更快，将其“月份”缩短了33分钟。这一惊人的变化是撞击确实改变了小行星轨道的直接证据。

对Dimorphos的力学影响（结构、形状和自转）

内部结构和凝聚力

近距离数据和成像表明，Dimorphos可能是一个碎石堆（由引力结合的块体聚集体，机械凝聚力很小）。 凝聚力低的结构有利于产生大量喷出物和撞击后变形。 研究表明形状发生了变化，从扁球（两极扁平）到长球（沿一轴延伸）。

前景：Hera任务和精细表征

现场测量Dimorphos的特性

欧洲空间局（Hera任务）的任务是到达Didymos系统，现场测量陨石坑形态、Dimorphos的质量和内部特性，并验证冲量传递模型。

Hera将能够精确估计\(\beta\)，绘制块体尺寸分布图，并评估宏观孔隙率。这些测量对于推断动能撞击方法对地球潜在危险天体的可扩展性至关重要。

事件和来源汇总表

偏转年表

以下是主要实验步骤的综合表，附有可观测的参考。