摘要：
2022年，美国国家航空航天局（NASA）的双小行星重定向测试（DART）任务成功通过动能撞击器改变了小行星迪莫弗斯（Dimorphos）的轨道。本研究利用iSALE-3D撞击模拟代码，模拟了不同地下岩块配置下的倾斜撞击对垂直动量传递效率（β − 1）的影响。结果表明：（1）随着撞击倾斜度增加，垂直溅射物动量减少。并且撞击角度在60°至75°之间时，撞击溅射物垂直动量出现显著下降；（2）小行星风化层中掩埋的岩块会引发“逆保护效应”。当岩块位于撞击点正下方时，“逆保护效应”最为显著，可将动量传递效率提升50%。撞击点周围的埋藏岩块会产生保护效应，且对动量传递效率的值影响较小；（3）类DART情形撞击产生的表面熔融物质极少。
直径140米以上的近地小行星对地球生命构成潜在威胁。2022年9月，NASA 成功将DART 探测器以约6.1 km/s 的速度定点撞击到小行星迪莫弗斯上。迪莫弗斯直径约为160米，大概率为碎石堆小行星（rubble-pile asteroid），与其主小行星迪迪莫斯（Didymos）构成双小行星系统（binary asteroid system），原本的环绕周期约12小时（图1）。
图1. DART探测器撞击小行星Dimorphos前后过程示意图。撞击过程和撞击后的状态由立方星LICIACube、地基和空间望远镜共同观测。撞击之后，Dimorphos相对于Didymos的轨道周期变短。图源：NASA/Johns Hopkins APL
因为DART探测器的撞击，该小行星对于其主星迪迪莫斯的环绕周期缩短了33分钟（Daly et al., 2023）。这是人类首次小行星防御实验。DART探测器搭载的DRACO相机于撞击前记录下了迪莫弗斯的表面形貌特征（图2）。
图2. (a) 迪莫弗斯于撞击一侧的全貌。(b-c) 撞击点近距离的照片。白框代表DART探测器及其太阳能板。来源：Daly et al. (2023)
图片表明，DART探测器直接撞击到了小行星表面的岩块。撞击产生的动量传递效率（β –1）反映了撞击物体对目标天体动量的增强程度，是理解撞击动力学的重要指标之一。前人研究显示，小行星表面和地下浅层的岩块对动量转递效率有着显著的影响。其中突出表面的大岩块会作为保护层吸收大部分撞击动能（armoring effect），从而减小动量传递效率。但是随着地表岩块没入地下深度的增加，动量传递效率也会相应增加，使得被撞击的小行星发生更多的位置移动（DeCoster et al,. 2024）。这个过程为“逆保护效应” （anti-armoring effect）（Dai et al,. 2024）。由于碎石堆小行星内部结构极难探测，使用撞击数值模拟的方式研究碎石堆小行星内部结构对动能撞击和产生的动量传递效率有着重要意义。
本研究用iSALE-3D模拟了不同撞击角度以及撞击点下方不同岩块的分布方式、大小、数量对动量传递效率的影响（图3）。由于3D模型需要的强大算力，我们于撞击开始后的0.1秒就停止了模拟，因此实际成坑结束后所生成的动量转换效率应当会整体上更大。
图3. 不同地底岩块分布形式以及角度下所产生的动量传递效率。图中灰色部分为小行星表面风化层，撞击物、大岩块和小岩块（蓝色圆）半径分别为0.4 m、1.5 m（Rb）以及0.5 m。
研究发现，撞击角度对动量传递效率有显著影响。在所有模拟中，垂直撞击（90°）的动量传递效率值最高，这表明在相同的撞击速度下，垂直撞击最能显著改变小行星的位置。随着撞击角度的减小，动量传递效率逐渐下降，倾斜撞击表现出较低的动量传递效率。例如，当单颗大岩块刚没入地表时（图3），75°撞击的动量传递效率值约为1.64，而60°撞击时，动量传递效率下降至1.39左右。需要注意的一点是，对于绝大多数情况，75°与垂直撞击（90°）所产生的动量传递效率下降量并不大。这代表了类似DART的动能撞击任务对角度有较大的容错率。
此外，倾斜撞击导致溅射物的分布显著偏向于撞击的下靶区方向（图4）。溅射物的动量在下靶区方向的贡献更大，而上靶区方向的溅射动量则较小。这种不对称分布不仅影响了被撞小行星的加速方向，还可能导致产生撞击坑的形态差异，例如可能产生椭圆形或溅射毯不均匀分布的撞击坑。
图4. iSALE-3D 模拟结果： (a, b) 倾斜撞击角度为45°和75°的峰值压力等值线图； (c, d) 倾斜撞击角度为45°和75°的溅射物来源图，归一化的垂直速度 (Vz/U)用于表示溅射物运动状态，溅射物均显示在撞击前的位置；(e) 对比了含有三个岩块目标与无岩块目标之间的峰值压力差异。
为进一步探讨地下结构对动量传递的影响，本研究模拟了地下岩块的存在及其分布方式，重点考察了单个岩块和多个岩块的不同分布情形。地下岩块的存在引入了逆保护效应，即埋藏较浅的岩块能够显著增强溅射动量。当岩块埋藏深度较浅（接近表面）时，撞击产生的冲击波通过岩块与周围物质的交互作用导致总溅射动量显著增加（图4）。然而，随着岩块埋藏深度的增加，逆保护效应逐渐减弱，导致动量传递效率逐渐下降。这表明，地下岩块的深度是决定溅射效率和动量传递的重要因素。
当模拟情形扩展至多个岩块时，本研究发现岩块之间的相互干扰可能削弱逆保护效应。这种干扰效应尤其在岩块密集分布时更为显著。然而，如果岩块较小或远离撞击点，其对动量传递的影响就相对较小。这一结果为进一步理解小行星碎石堆的内部结构提供了新的启示，即：碎石堆内部岩块的分布和密度会显著影响撞击动量的增强机制。
此外，欧洲航空航天局（ESA）的赫拉探测器（Hera）将在2026年抵达迪莫弗思，近距离观测DART任务所产生的撞击坑。在DART的撞击速度（6.1 km/s）下，冲击波的强度很有可能引发冲击熔融。为此，本研究还模拟了DART撞击所产生的撞击熔融物的情况。研究表明，撞击熔融区的形态和大小显著受到撞击角度和地下结构的影响（图5）。倾斜撞击会在下靶方向形成更大的熔融区。这种非对称性是由于下靶方向的冲击压强更大，导致了更高的温度。此外，地下岩块的存在也会对熔融区的分布产生影响。致密的岩块比松散的风化层更难以熔融，因此撞击在岩块上将产生更少量的熔融。岩块的“逆保护效应“进而促进了熔融物的溅射，导致更少的熔融留存在小行星表面。这些现象对于理解撞击熔融物的生成和分布机制具有重要意义。
图 5.倾斜撞击与垂直撞击（90°）在 (a) 均质表层土壤和 (b) 埋有岩块（岩块半径1.5 m）的表层土壤中产生的撞击熔融分布。图中为3D模拟的对称平面剖面图。圆圈表示熔融物的撞击前位置，蓝色圆圈代表被溅射出的熔融物，红色圆圈代表在瞬时坑内保留到模拟结束（100毫秒）时的熔融物。
综上所述，本研究从撞击体的撞击角度和小行星的浅表层结构两个关键因素出发，全面揭示了它们对撞击动量传递、喷射物分布及撞击熔融的多方面影响。这些发现不仅对小行星碎石堆动量增强机制的研究提供了重要参考，还对理解行星撞击事件中的动力学行为和物质交换开辟了新的视角。例如，在小行星偏转任务中（如DART任务），了解倾斜撞击的动量效率降低效应，可以帮助优化偏转策略；在行星撞击事件研究中，浅表层结构的影响则为重建早期地质演化过程提供了关键线索。
上述研究成果以“Impact Momentum Transfer—Insights from Numerical Simulation of Impacts on Large Boulders of Asteroids” 为题发表在The Planetary Science Journal期刊上。本文的共同第一作者是澳门科技大学的访问学生戴凯逸和博士研究生罗希子，通讯作者是澳门科技大学祝梦华教授。该成果得到澳门发展基金（0064/2022/A2; 0020/2021/A1）等基金的共同资助。
论文链接：
Dai, K., Luo, X.Z., Zhu, M.H., Collins, G.S., Davison, T., Luther, R. and Wünnemann, K., 2024. Impact Momentum Transfer—Insights from Numerical Simulation of Impacts on Large Boulders of Asteroids.The Planetary Science Journal, 5(9), p.214. https://doi.org.10.3847/PSJ/ad72eb
参考文献：
Daly, R.T., Ernst, C.M., Barnouin, O.S., Chabot, N.L., Rivkin, A.S., Cheng, A.F., Adams, E.Y., Agrusa, H.F., Abel, E.D., Alford, A.L. and Asphaug, E.I., 2023. Successful kinetic impact into an asteroid for planetary defence. Nature, 616(7957), pp.443-447.
DeCoster, M.E., Luther, R., Collins, G.S., Dai, K., Davison, T., Graninger, D.M., Kaufmann, F., Rainey, E.S. and Stickle, A.M., 2024. The Relative Effects of Surface and Subsurface Morphology on the Deflection Efficiency of Kinetic Impactors: Implications for the DART Mission.The Planetary Science Journal, 5(1), p.21.
作者：戴凯逸
编辑：李婧
审核：李阳
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