搜寻近地小行星

□ 北京八一学校 李佳润

搜寻近地小行星

□ 北京八一学校 李佳润

近地小行星对地球构成威胁

小行星是太阳系中类似行星那样环绕太阳运动，但体积和质量比行星小得多的天体。据估计，在太阳系中存在着数以百万计的小行星。小行星的存在对地球及其生命生存环境造成了较大的威胁。

根据国际小行星中心官网记录，截止到201 5年1 0月1 4日，目前天文学家根据观测结果确定的小行星达692604颗，近地天体（Near-Eart h Obj ect s）13179个，彗星3852颗。天文学家研究认为，直径大于1千米的小行星撞击地球的概率为每10万年1次，而仅一次就可能毁灭地球。 因此，及时地发现近地小行星，测定并持续监测它们的准确位置和运动趋势，是十分必要的。

人人可参与近地小行星搜寻

国际小行星搜寻活动（IASC, Int ernat i onal Ast eroi d Search Campai gn）由美国宇航局（NASA, National Aeronautics and Space Admi ni st r at i on）天文研究所（ARI, Ast ronomi cal Research Institute）和国际动手天文教学组织（HO U, Hands O n Universe）等机构共同发起。由来自全球9个国家在内的参与单位提供望远镜、观测资料和指导专家，组织国际学生实时处理天文观测图像数据，参与搜寻探索新的小行星和近地天体，并对已知的彗星和近地天体不断变化的准确位置和运动趋势进行长期跟踪监测，进而确认或排除近地移动天体对地球的危险性。

国际小行星搜寻活动的原始资料来自天文学家的观测结果。科学家通过天文望远镜获取天文图像资料，国际HOU组织将这些资料发送给活动参与者。利用这些天文图像资料和天文图像数据分析软件“Ast romet ri ca”，“国际小行星搜寻”活动的参与者们即可进行图像数据分析，进而搜索小行星。

利用“Astrom etrica”软件可以将天文图像资料进行初步处理，将三张或多张连续拍摄于同一天区的天文图片对齐，并进行连续播放，图片中的固定天体为恒星，按照一定步长或次序移动的天体则可能为小行星。

近地小行星搜寻工作的准备

应用“Ast romet ri ca”软件搜寻近地小行星，包括多个环节，首先是软件准备工作。在电脑上安装“Astrometri ca”软件；设定工作环境（File/Settings/Environm ent，指向路径：C:/Astrom etri ca）；依实际需要设置望远镜参数（例如：Open xinglong.cfg或SSON-G84.cfg）。望远镜及CCD参数设定如图1、图2所示。

图1 “Astrometrica”软件CCD参数设定

图2 “Astrometrica”软件望远镜参数设定

图3 加载好的一组fits文件（FOV07-2014-0105）

更新软件数据库，下载最新日期更新包（如201 4-02-09_92353.rar），在工作环境（C:/Ast romet ri ca）下解压并全部覆盖。退出软件并重新启动以使配置生效。然后，加载从组织方获取的成组的天文图像文件（Fi le/Load Images，所加载为一组f i ts文件，多为3个一组，也有多于3个的）。加载好的一组fi ts文件如图3所示。

肉眼搜寻小行星的步骤

1选取“Astrom etrica Data Reduction”键（图4中左数第5键），抽取恒星数据，选取参考星，标定图片。标定过程中，选取自动参考星标定模式。图5为经过标定的fits文件。

图4 “Astrometrica”软件常用工具界面

图5 经过标定的fits文件（3of3-FOV7-2014-0105）

图6 典型小行星运动轨迹

2点击“Blink current Images”键（图4中右数第一个键），将一组fi ts文件循环播放，放大图片对各个天区进行观察搜索，对类似于小行星的天体进行标定（用鼠标单击该点）。图6为一组典型的小行星运动图片。

小行星判断弹出窗口如图7所示。逐帧播放fits图片，连续以同一名称标定三次，以确定小行星轨迹。

图7 “Astrometrica”软件小行星判断窗口

计算机搜寻-肉眼判断搜寻小行星

点击“Moving Object Detection”键（图4中左数第6键），通过计算机自动搜寻疑似小行星对象。计算机可能会找出多达数百组疑似小行星候选体数据，其中绝大部分为干扰信号可排除。按照小行星判定标准依次排除干扰信号，接受符合标准的小行星候选体。

如果为干扰信号，则点击图7中判断窗口的“Reject”键排除。

计算机搜寻准确度较差，包含大量的噪点及干扰信号，在小行星搜索实践中，往往需结合肉眼进行综合搜寻。

后续的确认工作

如果所选取的点基本符合要求，还需进一步确认该小行星候选体是否是已被发现的小行星。可单击“Known Obj ect Overlay”键（图4中右数第5个键），显示已知天体/小行星运动轨迹。对于已知移动天体，可进一步提供确认报告。

如果该移动目标不在已知小行星之列，则可认定为新发现的小行星候选体。其命名格式一般采用三个字母加四个数字的形式，如：J RL0001。将该命名输入到图7判断窗口Object Designation栏中右侧的输入框中。

完成该组数据的搜寻工作后，单击“Send MPC Report”键（图4中左数第8个键），导出、整理搜寻报告。

此外，在搜寻过程中，还可对图像进行取反（单击“Invert Image”，图4中右数第6个键），以提高辨识度。

判断是否为小行星需注意的问题

1.一般情况下，小行星的形状为不规则的圆形，形状怪异如方形、长条形则一般是噪点或污染物等，一般可以排除。

2.小行星的运动步长及次序是规律性的，在3张fits图片的连续播放中，一般其运动步长相当，移动位置也按照fits文件切换的顺序依次变化。移动步长过大的、位置变化方向颠倒混乱的不是小行星。

3.一般情况下，主带小行星的运动轨迹和已知小行星的运动轨迹基本平行，多近似直线，不过也存在轨迹特殊不与已知轨道平行的小行星。

4.小行星的波形符合度较高，曲线规则。反之则可能为热相元或周围恒星的干扰。

概括来讲，判断fits文件中的疑似信号是否为小行星，要依据如下的判断标准。

5.一般小行星有足够的信号强度，与背景颜色接近或影像虚化的一般不是小行星。

6.离亮星（接近饱和）很近的移动点，绝大多数情况下是干扰信号，而不是小行星。

此外，在搜寻小行星的过程中还需注意排查所发现点是否为已知小行星，将疑似点坐标和已被发现的小行星坐标进行比较，误差在1角秒以内的目标一般可认为是数据库中已有的小行星。

“三色合成法”搜寻小行星

不同波长的可见光投射到人的眼中呈现出不同的颜色。人眼对R（红）、G（绿）、B（蓝）三色最为敏感，而大多数的单色光可以通过RGB三原色的单色光按照不同的比例合成产生。同样的，绝大多数单色光也可以分解成RGB三种原色，即RGB三原色原理（图8）。当红绿蓝三色光以1：1：1的比例混合、达到一定强度时，就呈现为白色（即合成为白光）；如果这三种颜色光的强度均为零，则呈现为黑色。RGB三色合成的原理在电视、电脑等主动发光的电子显示设备（显像管）上具有极为成熟和广泛的应用。

应用天文图像数据处理软件（如DS9）对连续拍摄的同一天区的天文图像分别赋予RGB三原色（如果为四张图片一组，则可分别赋予CM YK四色）进行对齐、合成。此时，背景恒星位置固定且为白色，而移动天体如近地小行星在RGB（红、绿、蓝）三色合成图像上则呈现为颜色不同而次序排列的点源，方便识别和确认，即小行星搜寻“三色合成法”。

“三色合成法”搜寻近地小行星首次应用于小行星搜寻活动，是对常规方法的重要补充和创新性改进。

图8 RGB三色合成原理图

“三色合成法”的优点

图9 合成前的一组fits文件（部分）

图10 用DS9软件合成的天文图像

图9为合成前的一组fits文件。图10为对图9中fits文件应用三色合成法编辑后的输出文件。图中彩色的圆圈标注了一组小行星候选体的移动轨迹。

小行星标定窗口中的天文信息

“三色合成法”小行星搜寻主要有如下两方面的优点：

首先，“三色合成法”极大地提高了轨迹辨识度，原有方法仅通过颜色单一的轨迹点搜寻小行星，图像清晰度较差，搜寻效果受天文图像质量制约很大。而“三色合成法”赋予小行星轨迹点清晰且具有明确区分度的颜色，方便搜寻者快速识别和确认小行星，大大提高了搜寻效率。

其次，“三色合成法”具有更好的搜寻命中率，由于所选取的RGB三原色顺序固定，在小行星轨迹点上呈现的颜色也是固定的。小行星运动轨迹因此呈现出特定的颜色顺序，这在很大程度上方便了搜寻者排除热点、噪点，尤其是当不同颜色的点出现的顺序与已知小行星和已确定的小行星候选体不同时，很容易剔除假候选体，提高了搜寻准确率。

图11为标定小行星时，“Astrom etrica”软件的弹出窗口。了解该窗口中各部分的天文学意义，可以更好地对小行星疑似体进行判断，是十分必要的。

图11 “Astrometrica”软件小行星判断窗口

图11中，PSF.Fit栏主要描述信号信息，其中，SN R值为信噪比，噪声等干扰信号的信噪比多低于3，而恒星的信噪比大于5，一般小行星的信噪比在3到5之间，而不同图片同一天体的信噪比差异一般不大。Flux表示目标区域内的信号强度。FW H M为半高全宽，同一天体在3张图片中的FW H M值保持一致。Fit RM S表示均方根残差，该值越小越好。Inform ation栏的RA表示赤经，D e表示赤纬，这组数据确定了小行星的位置。综合比较赤经赤纬数据可排除已发现的小行星。V是视星等。

搜寻小星星的收获

通过积极参与国际小行星搜寻活动，笔者先后发现了主带小行星TO V5EP、TO V5EG、AR51、AS51，并确认了主带小行星N EO SV 114。同时，在小行星搜寻工作中，创新性地利用了“三色合成法”。搜寻实践证明，“三色合成法”具有较高的搜寻效率和命中率，其推广应用对于天文科普教育的普及具有重要促进意义。

（感谢八一中学的张华生老师在文稿成文过程中对于思路和行文的指点和帮助，感谢国际小行星搜寻活动的组织者郭红峰老师一直以来的悉心指导。）

（责任编辑 张长喜）