小行星的巡天觀測

常 銳 （北京大學(xué)行星與空間科學(xué)研究中心）

小行星的巡天觀測

常 銳 （北京大學(xué)行星與空間科學(xué)研究中心）

Sky Survey for Near Earth Asteroid

自從人類認(rèn)識到近地小行星的撞擊危險(xiǎn)性以來，一直在思考如何減輕和避免小行星撞擊地球所帶來的災(zāi)害。提前獲得近地小行星的信息，是避免其撞擊地球的基本保障。巡天觀測有利于弄清楚近地小行星的數(shù)量和空間分布，辨別出對地球有潛在危險(xiǎn)的小行星并密切跟蹤，盡快確定避免撞擊災(zāi)害的措施。

巡天觀測分地基觀測和天基觀測兩大類。用地面望遠(yuǎn)鏡觀測會由于大氣層對電磁輻射的干擾和吸收而受到限制；而在地球大氣層外圍繞地球運(yùn)行的望遠(yuǎn)鏡既不會受到大氣層的各種干擾，也不會受到地球表面人工光源的光污染。

1 “廣域紅外探測器”空間望遠(yuǎn)鏡

目前，國際上只有美國發(fā)射了可用于觀測近地小行星的空間望遠(yuǎn)鏡，即“廣域紅外探測器”（WISE）空間望遠(yuǎn)鏡。

“廣域紅外探測器”于2009年12月14日發(fā)射，搭載了口徑為40cm的紅外線望遠(yuǎn)鏡，工作波長是3～25μm，并劃分為4個(gè)波段：第一波段3.4μm，用于觀測恒星和星系的寬波段；第二波段4.6μm，用于觀測棕矮星等亞恒星天體內(nèi)部熱能的熱輻射；第三波段12μm，用于觀測小行星；第四波段22μm，用于觀測恒星形成的塵埃（溫度約70～100K）。探測近地小行星是“廣域紅外探測器”任務(wù)的一部分，并取得了豐碩的成果，但由于其任務(wù)不是專門用于觀測近地小行星的，其軌道和有效載荷還不能滿足巡天觀測近地小行星的需要。

2010年10月初，“廣域紅外探測器”上用于冷卻觀測設(shè)備的制冷劑耗盡，但其4部紅外照相機(jī)中的2部仍能工作，美國航天航空局（NASA）決定啟動被稱為“近地天體觀測”的新一階段任務(wù)，為期約4個(gè)月。通過反復(fù)掃描一片星空區(qū)域，該衛(wèi)星可以提供一系列圖像供計(jì)算機(jī)比對，發(fā)現(xiàn)固定的恒星背景中移動的天體，即近地小行星等天體。由于小行星經(jīng)過太陽附近時(shí)被加溫，其紅外輻射往往比可見光輻射更容易觀測到，因此“廣域紅外探測器”比可見光望遠(yuǎn)鏡更適宜進(jìn)行此類觀測。2011年2月1日，NASA宣布任務(wù)結(jié)束，該空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入休眠狀態(tài)。2012年11月的檢查表明，“廣域紅外探測器”狀況良好。2013年12月，它被重新激活并改名為“近地天體紅外探測器”（NEOWISE），其發(fā)現(xiàn)的一些小行星將成為NASA未來小行星研究計(jì)劃的候選目標(biāo)。截止到2016年1月，該探測器共發(fā)現(xiàn)了230顆近地天體，其中有205顆近地小行星，25顆彗星。

2 “哨兵”空間望遠(yuǎn)鏡

主要目的

“哨兵”（Sentinel）空間望遠(yuǎn)鏡是處于設(shè)計(jì)和建造階段的小行星巡天觀測望遠(yuǎn)鏡，由美國民間組織B612基金會資助，計(jì)劃在2019年發(fā)射。

“哨兵”空間望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo)是在6.5～10年的運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)90%以上直徑大于140m、10萬顆直徑大于50m、20萬顆直徑為30～50m，以及20萬顆直徑小于30m的近地小行星。

軌道

此空間望遠(yuǎn)鏡的軌道比較特殊，它不是環(huán)繞地球的軌道，而是位于地球與金星軌道之間的日心軌道，與金星軌道很接近。

該空間望遠(yuǎn)鏡在這一軌道觀測近地小行星確實(shí)有許多優(yōu)點(diǎn)，觀測空間范圍廣，觀測效率高。軌道在0.7AU，視場大約200°，在逆太陽方向，太陽總是位于望遠(yuǎn)鏡鏡頭的后面，不會約束望遠(yuǎn)鏡探測小行星的能力，使“哨兵”空間望遠(yuǎn)鏡能連續(xù)而有序地掃描和探測來自視場內(nèi)任何移動目標(biāo)的紅外光。在該軌道進(jìn)行觀測，不受地球大氣層的影響，也不受月光和曙暮光的影響。同時(shí)，該望遠(yuǎn)鏡位于大多數(shù)近地小行星軌道內(nèi)，可在靠近太陽或最明亮?xí)r進(jìn)行觀測。該軌道對探測周期較長（相對于地球的速度很低）的近地天體非常重要，對未來的探索任務(wù)意義重大。

觀測平臺

“哨兵”空間望遠(yuǎn)鏡觀測平臺的上面是熱反射器和太陽電池翼，底部是高增益天線，0.5m孔徑的紅外望遠(yuǎn)鏡位于左側(cè)中部。在望遠(yuǎn)鏡工作時(shí)，探測器冷卻到40K，以便降低噪音。望遠(yuǎn)鏡的尺寸是7.7m×3.2m，總質(zhì)量為1500kg。整個(gè)平臺借鑒了“開普勒”（Kepler）天文衛(wèi)星和“斯皮策”（Spitzer）空間紅外望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)。

主要特征

“哨兵”空間望遠(yuǎn)鏡主要具有以下幾方面的特征：

1）在已運(yùn)行的近地天體探測系統(tǒng)中能力最強(qiáng)；

2）200°的逆太陽方向視場，在任意時(shí)間、任何地點(diǎn)的瞬時(shí)視場為2°×5.5°；觀看移動目標(biāo)時(shí)每小時(shí)掃描165°×165°；

3）定位精度到亞像素分辨率；

4）高度自動化、高可靠性，只要求每周進(jìn)行一次地面控制；

5）觀測運(yùn)行6.5～10年；主動制冷至40K，使用鮑爾宇航公司的兩級閉環(huán)斯特令制冷系統(tǒng)；

6）具有跟蹤感興趣目標(biāo)的能力。

3 對我國小行星探測的啟示

巡天觀測意義重大

目前，在太空還沒有專門用于巡天觀測近地小行星的望遠(yuǎn)鏡，“哨兵”空間望遠(yuǎn)鏡也僅僅是計(jì)劃中的項(xiàng)目，能否按計(jì)劃實(shí)施目前很難預(yù)料。從避免近地小行星撞擊災(zāi)害的角度看，巡天觀測意義重大，對于查清對地球有潛在危險(xiǎn)的小行星，是非常有效的手段。從科學(xué)研究的角度看，弄清近地天體的空間分布特征本身就具有重要意義，還可以從中選擇一些探索價(jià)值高的天體，進(jìn)行環(huán)繞或取樣返回探測。

目前，對近地小行星的觀測取得了很大的進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)的數(shù)量每年以接近1000顆的速度遞增。但以后的難度將越來越大，因?yàn)槌叨刃∮?00m的小天體在地面難以發(fā)現(xiàn)。美國“廣域紅外探測器”空間望遠(yuǎn)鏡曾給出對近地小行星數(shù)量的估計(jì)，尺度越小的天體，數(shù)量越大，而目前發(fā)現(xiàn)的數(shù)量僅占估計(jì)數(shù)量的很少部分。

紅外觀測必不可少

“哨兵”空間望遠(yuǎn)鏡采用紅外觀測，因?yàn)榧t外望遠(yuǎn)鏡比可見光望遠(yuǎn)鏡更適合發(fā)現(xiàn)小的、暗淡的小行星。例如，3顆大小相同、成分不同的小行星，反照率高的小行星將比較明亮，而反照率低的小行星顯示暗淡，用可見光望遠(yuǎn)鏡不容易發(fā)現(xiàn)。用紅外觀測所見到的3顆相同大小的小行星顯示相同的亮度，與反照率無關(guān)，因?yàn)樗鼈儚奶柅@得相同數(shù)量的熱量，輻射相同數(shù)量的紅外輻射。由此可看出，紅外望遠(yuǎn)鏡適合觀測小的、暗淡的小行星。

根據(jù)我國的實(shí)際情況，如果發(fā)射小行星巡天望遠(yuǎn)鏡，可以考慮增大望遠(yuǎn)鏡的孔徑，以便增大靈敏度，可看到更多的天體。另外，也可以考慮增加可見光通道，對較大的小行星進(jìn)行表面形態(tài)的觀測。