小行星的巡天观测

常 锐 （北京大学行星与空间科学研究中心）

小行星的巡天观测

常 锐 （北京大学行星与空间科学研究中心）

Sky Survey for Near Earth Asteroid

自从人类认识到近地小行星的撞击危险性以来，一直在思考如何减轻和避免小行星撞击地球所带来的灾害。提前获得近地小行星的信息，是避免其撞击地球的基本保障。巡天观测有利于弄清楚近地小行星的数量和空间分布，辨别出对地球有潜在危险的小行星并密切跟踪，尽快确定避免撞击灾害的措施。

巡天观测分地基观测和天基观测两大类。用地面望远镜观测会由于大气层对电磁辐射的干扰和吸收而受到限制；而在地球大气层外围绕地球运行的望远镜既不会受到大气层的各种干扰，也不会受到地球表面人工光源的光污染。

1 “广域红外探测器”空间望远镜

目前，国际上只有美国发射了可用于观测近地小行星的空间望远镜，即“广域红外探测器”（WISE）空间望远镜。

“广域红外探测器”于2009年12月14日发射，搭载了口径为40cm的红外线望远镜，工作波长是3～25μm，并划分为4个波段：第一波段3.4μm，用于观测恒星和星系的宽波段；第二波段4.6μm，用于观测棕矮星等亚恒星天体内部热能的热辐射；第三波段12μm，用于观测小行星；第四波段22μm，用于观测恒星形成的尘埃（温度约70～100K）。探测近地小行星是“广域红外探测器”任务的一部分，并取得了丰硕的成果，但由于其任务不是专门用于观测近地小行星的，其轨道和有效载荷还不能满足巡天观测近地小行星的需要。

2010年10月初，“广域红外探测器”上用于冷却观测设备的制冷剂耗尽，但其4部红外照相机中的2部仍能工作，美国航天航空局（NASA）决定启动被称为“近地天体观测”的新一阶段任务，为期约4个月。通过反复扫描一片星空区域，该卫星可以提供一系列图像供计算机比对，发现固定的恒星背景中移动的天体，即近地小行星等天体。由于小行星经过太阳附近时被加温，其红外辐射往往比可见光辐射更容易观测到，因此“广域红外探测器”比可见光望远镜更适宜进行此类观测。2011年2月1日，NASA宣布任务结束，该空间望远镜进入休眠状态。2012年11月的检查表明，“广域红外探测器”状况良好。2013年12月，它被重新激活并改名为“近地天体红外探测器”（NEOWISE），其发现的一些小行星将成为NASA未来小行星研究计划的候选目标。截止到2016年1月，该探测器共发现了230颗近地天体，其中有205颗近地小行星，25颗彗星。

2 “哨兵”空间望远镜

主要目的

“哨兵”（Sentinel）空间望远镜是处于设计和建造阶段的小行星巡天观测望远镜，由美国民间组织B612基金会资助，计划在2019年发射。

“哨兵”空间望远镜的目标是在6.5～10年的运行期间，发现90%以上直径大于140m、10万颗直径大于50m、20万颗直径为30～50m，以及20万颗直径小于30m的近地小行星。

轨道

此空间望远镜的轨道比较特殊，它不是环绕地球的轨道，而是位于地球与金星轨道之间的日心轨道，与金星轨道很接近。

该空间望远镜在这一轨道观测近地小行星确实有许多优点，观测空间范围广，观测效率高。轨道在0.7AU，视场大约200°，在逆太阳方向，太阳总是位于望远镜镜头的后面，不会约束望远镜探测小行星的能力，使“哨兵”空间望远镜能连续而有序地扫描和探测来自视场内任何移动目标的红外光。在该轨道进行观测，不受地球大气层的影响，也不受月光和曙暮光的影响。同时，该望远镜位于大多数近地小行星轨道内，可在靠近太阳或最明亮时进行观测。该轨道对探测周期较长（相对于地球的速度很低）的近地天体非常重要，对未来的探索任务意义重大。

观测平台

“哨兵”空间望远镜观测平台的上面是热反射器和太阳电池翼，底部是高增益天线，0.5m孔径的红外望远镜位于左侧中部。在望远镜工作时，探测器冷却到40K，以便降低噪音。望远镜的尺寸是7.7m×3.2m，总质量为1500kg。整个平台借鉴了“开普勒”（Kepler）天文卫星和“斯皮策”（Spitzer）空间红外望远镜的设计。

主要特征

“哨兵”空间望远镜主要具有以下几方面的特征：

1）在已运行的近地天体探测系统中能力最强；

2）200°的逆太阳方向视场，在任意时间、任何地点的瞬时视场为2°×5.5°；观看移动目标时每小时扫描165°×165°；

3）定位精度到亚像素分辨率；

4）高度自动化、高可靠性，只要求每周进行一次地面控制；

5）观测运行6.5～10年；主动制冷至40K，使用鲍尔宇航公司的两级闭环斯特令制冷系统；

6）具有跟踪感兴趣目标的能力。

3 对我国小行星探测的启示

巡天观测意义重大

目前，在太空还没有专门用于巡天观测近地小行星的望远镜，“哨兵”空间望远镜也仅仅是计划中的项目，能否按计划实施目前很难预料。从避免近地小行星撞击灾害的角度看，巡天观测意义重大，对于查清对地球有潜在危险的小行星，是非常有效的手段。从科学研究的角度看，弄清近地天体的空间分布特征本身就具有重要意义，还可以从中选择一些探索价值高的天体，进行环绕或取样返回探测。

目前，对近地小行星的观测取得了很大的进展，发现的数量每年以接近1000颗的速度递增。但以后的难度将越来越大，因为尺度小于100m的小天体在地面难以发现。美国“广域红外探测器”空间望远镜曾给出对近地小行星数量的估计，尺度越小的天体，数量越大，而目前发现的数量仅占估计数量的很少部分。

红外观测必不可少

“哨兵”空间望远镜采用红外观测，因为红外望远镜比可见光望远镜更适合发现小的、暗淡的小行星。例如，3颗大小相同、成分不同的小行星，反照率高的小行星将比较明亮，而反照率低的小行星显示暗淡，用可见光望远镜不容易发现。用红外观测所见到的3颗相同大小的小行星显示相同的亮度，与反照率无关，因为它们从太阳获得相同数量的热量，辐射相同数量的红外辐射。由此可看出，红外望远镜适合观测小的、暗淡的小行星。

根据我国的实际情况，如果发射小行星巡天望远镜，可以考虑增大望远镜的孔径，以便增大灵敏度，可看到更多的天体。另外，也可以考虑增加可见光通道，对较大的小行星进行表面形态的观测。