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).

3. 季江徽, 胡寿村. 太阳系小天体表面环境综述. 航天器环境工程, 2019, 36 (06): 519-532.

4. G.W. Evatt, A.R.D. Smedley, K.H. Joy, L. Hunter, W.H. Tey, I.D. Abrahams and L. Gerrish. The spatial flux of Earth’s meteorite falls found via Antarctic data. Geology, 2020, 48 (7): 683–687.

5. Yi-Bo Wang, and Xiao-Bin Wang. New CCD photometry of asteroid (1028) Lydina. RAA, 2012, 12 (12), 1714-1722.

来源：中国科学院云南天文台