如何测量近地天体?
大家经常会听到各种近地天体与地球擦身而过的消息,但耳闻不如一见。今年11月29日凌晨两点零六分,河南多地拍摄到火流星,夜如白昼,给人们带来了很强的视觉冲击。此次火流星的能量约为130吨TNT当量,星体基本被地球大气层燃烧殆尽,不会对地球造成较大影响。
那么近地天体对地球到底有没有威胁呢,其实历史中已经有了答案,著名的K-Pg事件、通古斯大爆炸、俄罗斯车里雅宾斯克事件、云南迪庆的火流星等等,只不过由于撞击事件肇事者的个头不同,对地球造成的影响也不一样。
科学家重建的俄罗斯车里雅宾斯克陨石爆炸图像(图片来自网络)
木星和月球是地球强有力的保镖,它们用自身的引力捕获近地天体,并用身躯为地球抵挡近地天体的撞击伤害。同时,地球的大气层也是一件非常厉害的防护罩,大部分外来物体还没有落到地面就会被燃烧殆尽,不会对人类社会造成影响。但是,每年依然有大概1.7万枚重量大于50g的陨石落到地球上。原因是对于直径大于10米的外来天体,地球的大气层也不能完全抵挡它们。如果这些天体撞击地球的话,会对人类造成一定影响,天体的直径越大,破坏力越强。在这类天体没有撞上来以前,就要积极地开展近地天体的监测和预警工作。
已经被发现的近地小行星数量(图片来自网络)
近地天体的监测预警是一项比较庞大的工作,为了建立该类目标完备的数据库,需要利用天文观测发现目标并测算轨道,后续还要对它们的物理特性进行测量。主要的测量手段及相关测量有以下几个方面内容:
位置测量及轨道测定
要防御近地天体,首先要知道它们的运行轨道。通常需要先利用各类巡天设备发现这类目标,然后通过联合全球不同区域的观测设备开展后续天文观测,去测量天体的历元位置,才能得到目标精确的轨道参数。目前开展这项工作的主力设备是地面光学望远镜,如果天体距离地球比较近,也可以采用雷达观测、激光测距等测量手段。此外,发射空基望远镜或者雷达,在太空中对这类目标进行测量也是一种更为直接、并且精度更高的测量方式。
近地天体Apophis在2029年与地球最近距离时的运动轨迹(图片来源:NASA)
物理参数测量
如何测量近地天体的自转参数、形状等物理信息呢?
近地天体本身是不发光的,但是太阳光照射到近地天体表面,反射的光能够被观测者所接收到。这些光信号包含了天体自转及表面形状的信息,通过天文测光观测以及相关估算方法,能够对近地天体的自转参数及形状进行估计测量。
还有没有其他方法能够测量这些物理量呢?答案是有。例如,向近地天体发射电磁波,利用雷达接收反射的回波信号,能够反演得到近地天体的自转参数、形状等信息。通过红外波段的观测也能够推算出近地天体的反照率、有效直径等物理参数。
我国用于开展近地天体观测的部分光学观测设备
(从左到右:丽江2.4m望远镜,云南天文台1m望远镜,紫金山天文台近地天体望远镜)
物质成分测定
对近地天体的物质成分进行测定,最直接的方法就是利用航天器抵近或者登陆天体进行采样分析。但是,该方法一般只针对特定目标进行,无法对大规模目标群体开展成分测定工作。还有另外一种方法可以测量近地天体的物质成分,那就是光谱测量。太阳光照射在近地天体上,不同的物质元素会吸收不同谱段的太阳光,利用光学望远镜所配备的光谱仪对近地天体开展观测,测量天体对不同谱线太阳光的反射吸收情况,就可以获得近地天体的光谱曲线,进一步推测出近地天体的物质构成。
中国小行星-彗星探测计划概览(图片来源:Zhang, T., Xu, K. & Ding, X. China’s ambitions and challenges for asteroid–comet exploration. Nat. Astron. 5, 730–731 (2021).)
结束语:
针对近地天体开展长期监测,确定其轨道及物理特性,能够帮助完备近地天体数据库,不仅对开展行星防御具有重大意义,而且对我国后续开展深空探测、获取太空资源等工作具有深远意义。
参考文献:
1. https://cneos.jpl.nasa.gov/fireballs/
2. Zhang, T., Xu, K. & Ding, X. China’s ambitions and challenges for asteroid–comet exploration. Nat. Astron. 5, 730–731 (2021).
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