小行星的巡天觀測

常 銳 （北京大學行星與空間科學研究中心）

小行星的巡天觀測

常 銳 （北京大學行星與空間科學研究中心）

Sky Survey for Near Earth Asteroid

自從人類認識到近地小行星的撞擊危險性以來，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的小行星并密切跟蹤，盡快確定避免撞擊災害的措施。

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行的望遠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鏡，即“廣域紅外探測器”（WISE）空間望遠鏡。

“廣域紅外探測器”于2009年12月14日發(fā)射，搭載了口徑為40cm的紅外線望遠鏡，工作波長是3～25μm，并劃分為4個波段：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”任務的一部分，并取得了豐碩的成果，但由于其任務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”上用于冷卻觀測設備的制冷劑耗盡，但其4部紅外照相機中的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，為期約4個月。通過反復掃描一片星空區(qū)域，該衛(wèi)星可以提供一系列圖像供計算機比對，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”比可見光望遠鏡更適宜進行此類觀測。2011年2月1日，NASA宣布任務結(jié)束，該空間望遠鏡進入休眠狀態(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未來小行星研究計劃的候選目標。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”空間望遠鏡

主要目的

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

“哨兵”空間望遠鏡的目標是在6.5～10年的運行期間，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。

該空間望遠鏡在這一軌道觀測近地小行星確實有許多優(yōu)點，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，太陽總是位于望遠鏡鏡頭的后面，不會約束望遠鏡探測小行星的能力，使“哨兵”空間望遠鏡能連續(xù)而有序地掃描和探測來自視場內(nèi)任何移動目標的紅外光。在該軌道進行觀測，不受地球大氣層的影響，也不受月光和曙暮光的影響。同時，該望遠鏡位于大多數(shù)近地小行星軌道內(nèi)，可在靠近太陽或最明亮時進行觀測。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，對未來的探索任務意義重大。

觀測平臺

“哨兵”空間望遠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孔徑的紅外望遠鏡位于左側(cè)中部。在望遠鏡工作時，探測器冷卻到40K，以便降低噪音。望遠鏡的尺寸是7.7m×3.2m，總質(zhì)量為1500kg。整個平臺借鑒了“開普勒”（Kepler）天文衛(wèi)星和“斯皮策”（Spitzer）空間紅外望遠鏡的設計。

主要特征

“哨兵”空間望遠鏡主要具有以下幾方面的特征：

1）在已運行的近地天體探測系統(tǒng)中能力最強；

2）200°的逆太陽方向視場，在任意時間、任何地點的瞬時視場為2°×5.5°；觀看移動目標時每小時掃描165°×165°；

3）定位精度到亞像素分辨率；

4）高度自動化、高可靠性，只要求每周進行一次地面控制；

5）觀測運行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鏡，“哨兵”空間望遠鏡也僅僅是計劃中的項目，能否按計劃實施目前很難預料。從避免近地小行星撞擊災害的角度看，巡天觀測意義重大，對于查清對地球有潛在危險的小行星，是非常有效的手段。從科學研究的角度看，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值高的天體，進行環(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，因為尺度小于100m的小天體在地面難以發(fā)現(xiàn)。美國“廣域紅外探測器”空間望遠鏡曾給出對近地小行星數(shù)量的估計，尺度越小的天體，數(shù)量越大，而目前發(fā)現(xiàn)的數(shù)量僅占估計數(shù)量的很少部分。

紅外觀測必不可少

“哨兵”空間望遠鏡采用紅外觀測，因為紅外望遠鏡比可見光望遠鏡更適合發(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，因為它們從太陽獲得相同數(shù)量的熱量，輻射相同數(shù)量的紅外輻射。由此可看出，紅外望遠鏡適合觀測小的、暗淡的小行星。

根據(jù)我國的實際情況，如果發(fā)射小行星巡天望遠鏡，可以考慮增大望遠鏡的孔徑，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，對較大的小行星進行表面形態(tài)的觀測。