明日又来一颗！小行星频繁飞掠地球却难于监测，是科学家的失职吗？
继小行星2019 OK飞掠地球后，明日（2019年8月10日），一颗尺寸更大，但所幸离地球距离较2019 OK远一些的又一颗小行星将再度飞越地球。小尺寸的小行星撞击地球事件基本上每年都在发生，但人类能较早发现危险从而有时间应对的难度却非常之大。
撰文 | 侯锡云（南京大学天文与空间科学学院教授）
最近一则近地小行星2019 OK差点撞上地球的消息霸占了各大科技媒体头条，刷爆了吃瓜群众的眼球。啥？近地小行星？地球差点被它KO？咱地球不是好好的嘛？又来骗我们的关注！打住，各位不明真相的吃瓜群众，这厢就和你们说道说道！是，地球还好好的，那仅仅是因为我们足够幸运。
2019 OK离地球最近的距离仅有7.2万公里，比月球离地球距离的1/5还近。如果这颗小行星“偏”了那么一点点撞上地球，以目前人类的任何技术手段都不可能避免此次撞击，因为我们仅在它飞越地球前1天才察觉这位天外来客。尺寸如2019 OK（直径约百米量级）大小的小行星可轻松穿越地球薄薄的大气层到达地面，对局部区域造成毁灭性伤害。如果它的尺寸再大上十倍，那么“恭喜”你，再也不用担心将来的工作、学习和生活了，因为绝对多数人的生命轨迹将终结于此次撞击，地球文明可能会彻底毁于位天外访客，就如同6500万年前的恐龙世代终结于一颗同样尺寸的小行星撞击那样。
事实上，从整个地球的历史来看，2019 OK并不是一个特例。这不，刚走了2019 OK，据称一颗直径约570米的小行星“2006 QQ23”又将在8月10日以16740公里/小时的速度在距地球740万公里（0.049个天文单位）的高空飞过，被科学家视为“潜在危险”对象。虽然这颗小天体比2019 OK离我们远，但尺寸更大。好在科学家评估认为，这颗小行星对地球还没构成威胁。
尺寸如2019 OK量级的小行星撞击地球的事件大约几千年才发生一次，但与地球擦肩而过的概率则要高很多。此外，小尺寸的小行星撞击地球的事件基本上每年都在发生。在地球的轨道附近时刻游荡着数以万计的近地小天体（NEO—near-Earth object），这些天体因为轨道与地球接近会时不时地造访一下咱们地球，而很多时候作为地球主人的我们甚至不知道或者等它们“敲门”了才发现这些不速之客。所幸的是，近地小天体的尺寸普遍较小，而地球有着大气层这道天然屏障，大多数小天体在到达地面之前已经被大气烧蚀，但仍有个别较大尺寸的不速之客会到达地球表面并留下造访的痕迹（譬如残留在地表上的陨石坑）。
根据国际天文联合会IAU（International Astronomical Union）所属的小天体中心MPC（Minor Planet Center）网站公布的数据[1]，目前发现的近地小天体数目已超过2万颗，而这仅是数目众多的近地小天体的冰山一角，仍有数目众多的暗弱目标并未被发现[2]。根据近地小天体相对太阳的平均轨道半径a以及近日距q和远日距Q，人们将之划分为4种类型，分别为（AU是常用的天文单位，表示日地平均距离，约为1.5亿公里）:
各轨道类型相对地球轨道的几何如图1所示。其中Appllos类型与Atens类型近地小天体的轨道与地球的轨道相交，因此存在与地球的碰撞风险。2019 OK的轨道就是Appllos类型的轨道。需要说明的是，某颗近地小天体可能与地球的轨道发生近距离接触（即到达距离地球很近的区域但并未碰撞）从而改变其轨道类型，譬如下面作为示例将要介绍的另一颗将会近距离飞越地球的编号为99942的近地小行星Apophis，在2029年与地球近距离接触之后将由Atens型变为Appllos型（见图3左图）。
在近地小天体中，部分存在与地球碰撞的风险，其中尺寸较大的小天体与地球的高速碰撞会产生局部甚至全球性的灾难，这部分近地小天体通常被称为危险天体（PHO—Potentially Hazardous Object），目前已发现的危险天体约占已发现的近地小天体总数的1/10。
由两个指标可确定一个近地小天体是否为PHO：与地球的最小轨道距离MOID（Minimum Orbit Intersection Distance）以及绝对星等H。MOID是指近地小天体的轨道与地球轨道的最小距离，而绝对星等H是小天体尺寸的反映。当MOID<0.05 AU且H<22（假定小天体的反照率为0.14，相当于小天体的等效直径>140m）时即为危险天体，需要对之进行进一步的观测以确定其轨道并计算与地球的碰撞概率并评估碰撞风险。需要特别说明的是，近地小天体的轨道由于受到太阳系大天体的轨道摄动影响而在空间中不断变化，地球自身的轨道也由于这些摄动因素在空间中不断变化，因此某颗近地小天体的MOID并不是固定不变的，所以危险天体的成员也不是始终不变的。
危险天体的碰撞风险评估通常有两个指标，分别为都灵指标（Torino scale）与巴勒莫指标（Palermo technical impact scale），这两个指标都考虑了近地小天体与地球的碰撞概率以及碰撞所带来的实际危害（由小天体的尺寸和轨道参数确定）。其中都灵指标分为0~10共11个等级[3]，数字越大风险等级越高。虽然该指标划分较为粗糙，但易于大众了解危险天体的风险等级。巴勒莫指标的计算则更为严谨[4]，也是相关学者学术交流时通常采用的指标，当该指标大于0时表示该目标的碰撞风险要大于该尺寸近地小天体的平均碰撞风险。
由于近地小天体的碰撞危害，有必要对其进行持续不断的监测。美国国会于1998年发布行政命令要求美国国家航空航天局NASA（National Aeronautics and Space Administration）发现并编目地球附近90%以上公里级尺寸的小行星，目前学者普遍认为该目标已于2011年达成。2005年初，NASA将该目标拓展为编目直径超过140米的近地小天体。2016年，NASA又成立了PDCO（Planetary Defense Coordination Office）办公室，致力于编目直径大于30-50米的近地小天体。以美国为首，目前国际上有数个致力于近地小天体的巡天任务，比较著名的有LINEAR、Spacewatch、Catalina Sky Survey、ATLAS等。遗憾的是，在近地小天体监测工作方面我国存在明显的不足，目前专职于近地小天体观测的仅有中国科学院紫金山天文台的盱眙观测站的1.2米近地天体望远镜。
此外，危险天体发现之后，需要不断地对其进行后续跟踪、确定其轨道并编目。目前国外有两个专门的网站从事危险天体的编目维护工作，分别为ESA资助的NEODyS-2[5]以及JPL维护的Sentry[6]。很遗憾的是，我国目前也无危险天体的编目维护工作。就我国近地小天体的观测设备与观测网建设、观测数据积累与维护等方面的现状而言，需要进一步的资金和人员投入。所幸的是，国家有关部门已经认识到这种现状并正开展相关工作。
众所周知，近日飞掠地球的2019 OK直到驾临地球前一日才被发现，以至于引发一波怀疑：是天文学家观测失误吗？实际上，近地小天体监测是非常困难的，其困难之处有如下三个方面。
一是观测方面。目前近地小天体的主要监测手段仍是地面的光学观测。由于小天体尺寸通常很小且自身不发光，因此只有当它们足够靠近太阳且距离地球较近时才可能被发现，而用于近地小天体巡天观测的望远镜通常视场大但口径小，暗弱目标的观测能力有限，所以小尺寸的小天体（百米以下）地面观测设备难以发现。另外，大多数近地小天体的轨道平面与黄道面（即地球相对太阳的轨道平面）十分接近，如果近地小天体靠近太阳时正处在太阳和地球的连线附近则很难被发现。这次与地球擦肩而过的2019 OK就属于这种情况，在太阳光的强背景下很难发现一个百米直径的暗弱目标（想象一下，在汽车远光灯的照射之下分辨出一只萤火虫的光芒），所以只有当2019 OK很靠近地球时人们才能发现它。此外，目前地面测站主要分布在北半球，南半球的观测数据较少，在观测数据上有一定的几何偏差。
值得一提的是，除地面观测之外，也有运行在近地空间轨道上的小天体巡天任务，譬如NEOWISE[7]。与地面观测手段相比，空间望远镜的巡天视场更大，由于没有大气的消光和抖动影响，曝光时间更短，探测的极限星等也更暗，因此是对地面光学观测手段很好的补充和改进。但空间任务的成本通常都很高，不是目前日常监测的主要手段。至于其他一些观测手段（譬如雷达观测、掩星观测等），则由于种种限制不能作为日常监测的手段。
近地小天体监测的另一个困难之处在于被观测目标的轨道确定。我们需要利用光学观测数据（对个别情形，有可能存在雷达观测数据）结合小天体的动力学约束才能确定近地小天体相对太阳的轨道，这个过程在天文学上称为轨道确定。由于观测数据总存在一定程度的误差，所以由之确定的轨道（记为X*）也不是小天体的真实轨道（记为Xreal），Xreal以一定的概率分布在X*附近，如图2所示，即X*虽然有最大的概率是真实轨道Xreal，但以X*为中心的误差椭球内的任何一点都有一定概率是真实轨道Xreal。在一定的观测精度之下，为尽可能地缩小这种不确定性，需要多圈的观测数据，而近地小天体的轨道周期通常以年为计，因此即使几天~几十天的观测数据对近地小天体而言仍是很短的弧段，由之确定的轨道其不确定性很大（即图2中的误差椭球范围很大）。糟糕的是，图2所示的轨道不确定性（即误差椭球）会随着时间逐渐变大，而过大的不确定性通常会给后续观测造成困难（即不能有效约束后续观测的指向天区）从而造成观测目标的丢失，而这是近地小天体观测活动中经常会遇到的情况。为方便大家理解，我们可以想象一个不断变大的黑匣子从我们面前经过，我们的目标就在这个不断变大的黑匣子内但需要我们用望远镜找到。如果这个黑匣子尺寸很小，整个都在望远镜的视场之内，则目标一次观测即可被找到。但这个黑匣子尺寸过大，望远镜的视场每次只能搜索黑匣子很小的区域，如在一晚的观测时间（通常几个小时）之内只能搜索整个黑匣子的部分区域，若目标所在的区域不在搜索区域内则会造成目标的丢失。
更为麻烦的是，近距离接触会显著地改变近地小天体的轨道，并且会迅速放大轨道的不确定性，这是近地小天体长期监测的另一困难之处。以Apophis小行星为例。假设将MPC网站公布的某时刻（2004年6月10日）日心坐标系下的轨道记为X*，该目标的真实轨道Xreal并不是X*，仅有很小的误差（可认为是初始的轨道不确定性导致的），但这种误差会随着时间的积累慢慢发散。在与地球近距离接触之前，误差的发散速度比较缓慢，但一旦与地球近距离接触之后，误差会被迅速放大。以图3所示轨道为例，两条轨道的初始误差在空间中相对日心仅相差约200角秒，在与地球近距离接触之前即使经过20多年的轨道积分该误差始终较小（即图中红色曲线和蓝色曲线表示的轨道形状在与地球相遇之前基本相同），但在与地球近距离接触之后这种误差迅速放大，左图的轨道在与地球近距离接触之后由Atens型变为Appllos型，但右图的轨道在与地球近距离接触之后仍为Atens型。事实上，图3仅是作为一个示例，说明近距离飞越大天体（譬如地球）对小天体轨道不确定性地影响。对Apophis这样有长期数据积累的近地小行星，人们可以非常准确地约束其轨道（也即实际的初始误差不可能达到图3中所示的两条轨道那么大，通常在角秒量级甚至更小），但对2019 OK这样刚发现的小行星，如果不能持续地对其进行监测以有效地约束其轨道不确定性，则在其近距离飞越地球之后很容易再次丢失。
参考文献
[1] https://minorplanetcenter.net
[2] Harris A.W., D’Abramo G., The population of near-Earth asteroids, Icarus, 2015, 257, 302-312
[3] https://cneos.jpl.nasa.gov/sentry/torino_scale.html
[4] Chesley S.R., Chodas P.W., Milani A., et al., Quantifying the risk posed by potential Earth impacts, Icarus, 2002, 159, 423-432
[5] https://newton.spacedys.com/neodys/
[6] https://cneos.jpl.nasa.gov/sentry/
[7] https://neowise.ipac.caltech.edu