今天一颗小行星与地球“擦肩而过” ，半个月前我们就发现了
2020-11-20 20:00
本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：紫微（中国科学院紫金山天文台），科学审核：李彬、赵海斌
根据国际小行星中心（MPC）的预报，北京时间11月20日上午08时42分，一颗约12层楼高的近地小行星2020 VA1将在约440万千米外飞掠地球，但不会对地球构成威胁。
不过，这并不是什么“新”闻，在半个月前，中国科学院紫金山天文台的近地天体望远镜就发现了这颗小行星。
近地天体望远镜拍摄的2020 VA1（方框中目标）￨ 图源：紫金山天文台
科学家们是怎么监视这些可能带来威胁的不速之客的？今天，我们就来跟大家聊聊“小行星预报”。
近地小行星是啥？
在切入正题之前，先明确两个名词。
近地小行星（NEA）：指轨道与太阳最近距离（近日距）小于1.3天文单位（约2亿千米）的小行星
潜在威胁小行星（PHA）：指与地球最小轨道交会距离小于0.05天文单位（约750万千米），且直径大于140米的近地小行星。
已经发现的近地小行星：超过2万颗！
累计发现的近地小行星数量 ￨ 图源：NASA
截至2020年11月15日，人类发现的近地小行星总数为24285，其中，直径大于140米的9404颗，直径大于1千米的890颗，潜在威胁小行星共计2136颗，另有近地彗星113颗。
国际上对近地小行星的搜索发现计划主要有两个阶段：
（1）1998年开始利用十年时间发现绝大多数直径大于1千米的近地小行星；
（2）2008年开始对绝大多数直径大于140米的潜在危险小行星进行探测、跟踪、分类和物理特性获取。
目前，第一阶段任务已经完成，超过95%直径大于1千米的近地小行星已被发现。大批量的发现集中在1998～2012这十五年，主要贡献来自LINEAR、NEAT和Catalina等巡天。
直径大于1千米近地小行星的年度发现数量 ￨ 图源：NASA
天文学家正在集中精力冲刺第二阶段任务——直径大于140米的近地小行星发现率超过90%（目前不足30%）。从2000年以来，每年对直径大于140米的潜在威胁小行星发现数目一直维持在约300～500，并有持续缓慢增长的趋势，贡献主要来自LINEAR、Catalina和Pan-STARRS等的巡天接力。可以预见，在未来的10到20年里，直径在140米到1千米之间的近地小行星的发现仍将是主要任务。
直径大于140米近地小行星的年度发现数量 ￨ 图源：NASA
谁发现了近地小行星？
工欲善其事，必先利其器。具有强大巡天能力的光学望远镜是近地小行星发现与监测的关键。巡天速度和极限星等是近地小行星搜寻的关键指标，而视场和口径便是分别与这两个指标密切相关的望远镜参数。
其中，大视场是大批量发现的决定性因素，历数在近地小行星搜寻领域卓有建树的望远镜，它们均见长于巡天速度。建造中的鲁宾天文台（LSST）将成为最强有力的接力者。
表1：国际主要巡天望远镜关键指标对比（部分设备有升级，WFST和LSST在建）
从上表中可以看出，美国是国际上近地小行星观测的绝对主力，美国近地小行星的发现量占比超过已发现总数的98%，有规划的巡天设备接力发展是他们致胜的根本。
这次发现的小行星什么样？
2020 VA1是紫金山天文台近地天体望远镜于北京时间2020年11月6日20时57分03秒发现的，发现时亮度19.9等，视运动速度1.04度/天（相对于背景的恒星而言），正在接近地球。11月8日，国际小行星中心正式发布这一发现。
2020 VA1发现后，欧洲十多个小行星监测望远镜进行了后随跟踪观测，紫金山天文台也发起了我国西部地区星明天文台的跟踪观测，并很快确定了2020 VA1的轨道参数：半长径a为1.87 AU（AU为天文单位，1AU约为1.5亿千米），偏心率e为0.48，近日距q为0.97 AU。这是一个典型的Apollo型近地小行星，直径约为37米。
2020 VA1是紫金山天文台近地天体望远镜今年发现的第5颗近地小行星。该望远镜从2006年运行至今共发现25颗近地小行星，占我国（包括台湾地区）近地小行星发现总数（31颗）的约80%。
2020 VA1（绿色）和大行星轨道图（水星：白色；地球：蓝色）￨ 图源：紫金山天文台
小行星的个头是如何估算的？
经常听新闻里说“一个足球场大小的小行星正在接近地球”“一个卡车大小的小行星将于明晚飞掠地球”。这次的小行星约12层楼高。那么，科学家是如何估计这些小行星的个头的呢？
其实，目前我们知道确切大小和形状的近地小行星数量非常有限。大多数小行星形状不规则，我们通常所说的小行星的大小是指假设它为等效球形的直径d（千米），这个值可以从假设几何形状且表面均匀小行星的几何反照率Pv 和其绝对星等H 做出估计：
其中，小行星的绝对星等H 是指假设把它放到距离太阳和地球均为1AU处，且相位角为0°时，呈现的视星等；小行星的几何反照率Pv，即天体反射的太阳光辐射与照射到该天体的太阳光总辐射之比，在0～1之间，然而这通常是个未知量。
为便于估计近地小行星的大小，通常假设一个14%的几何反照率。当然，如果知道小行星的光谱型，则可以利用光谱型与几何反照率的经验关系把几何反照率定的稍精确些。
由此可见，通常光学观测得到的近地小行星大小估计是很粗略的，给相关的统计也引入了误差。不过，这些统计对监测年度发现是有用的。
近地小行星分几类
近地小行星按其轨道特性主要分为四类，名字分别出自古希腊、古罗马、古埃及和印第安神话。
阿波罗型（Apollos），约占50%，得名于首颗发现的此类小行星1862号“阿波罗”（Apollo）——古希腊神话中的太阳神。
阿莫尔型（Amors），约占42%，得名于首颗发现的此类小行星1221号“阿莫尔”（Amor）——古罗马神话中的爱神。
阿登型（Atens），约占8%，得名于首颗发现的此类小行星2062号“阿登”（Aten）——古埃及神话中的朝阳神。
阿提拉型（Atiras），仅发现30多颗，得名于首颗发现的此类小行星163693 号“阿提拉”（Atira）——美洲印第安波尼族神话中的大地与玉米女神。
近地小行星的四种主要轨道类型 ￨ 图源：紫金山天文台
近地小行星监测需要长期持续开展
其实近地小行星的发现只是其中的一环，同样重要的是对它们的持续监测。近地小行星的轨道可能随着大质量天体的引力摄动、雅科夫斯基非引力效应等影响而改变。这是一个长期的过程，数十年以上的、不间断的监测近地小行星是可以获得更多观测弧段，将轨道测定得更加准确。所以，长期持续的监测不仅必要，而且非常必要，并希望能在尽可能短的时间内做到全天空覆盖。通过全球布站，构建有效的地基监测预警网是当务之急。
近地小行星监测的关键在于提前发现那些可能对地球带来威胁的目标，越早发现越好。近地小行星防御的重点不在于去毁灭它们，而是试着改变它们的轨道。事实上，只需几毫米/秒到几厘米/秒的速度改变，经过几年的累计作用即可让本来可能撞个满怀的近地小行星擦肩而过。
因此，只要发现得足够早，随着技术的不断发展，人类是有能力预防撞击事件发生的。相关的防御技术有很多，因不是本文讨论的重点，恕不详述，有兴趣的读者可以移步这里（当小行星来袭，除了让地球流浪，我们还能怎么做？）。
任重道远
紫金山天文台是我国参与国际小行星预警网（IAWN）工作的主要力量，其位于盱眙观测站的近地天体望远镜目前是我国贡献共享数据的唯一主干设备，一直在持续开展近地小行星监测预警工作。迄今已发现新小行星4625颗，其中近地小行星25颗，潜在威胁小行星5颗，同时，还保持每年对300多颗近地小行星的长期监测。我国在近地小行星发现数量上仅仅占全球的约千分之一，与美国的差距显著。
科学家们正在多渠道寻求机会，积极推动下一代近地天体观测设备的建造和我国近地天体监测网络构建，希望在不远的将来，中国也能成为国际近地天体监测、预警、防御和研究的主要力量。
参考资料：
[1] https://cneos.jpl.nasa.gov/stats/
本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：紫微（中国科学院紫金山天文台），科学审核：李彬、赵海斌