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      大视场CCD小行星巡天及物理研究

 

      . 小行星研究状况简述

                      1.小行星的地面观测

                       2.小行星的空间观测

                       3. 未来的小行星空间计划

      . BATC小行星巡天的概况

     . 小行星的物理观测

                       1. 小行星观测的意义

                       2. 小行星观测时机的选取

                       3. 施密特CCD小行星的物理研究

      . 未来工作展望

 

近代天文学的发展,特别是多波段观测技术和理论研究的不断进展,作为传统天文学的一个引人入胜的方面,发现新的天体仍然激动人心,它同时亦是天文学最容易被普通民众所理解之处,而对于这些新发现天体的物理性质的研究也成为了天文学的重要前沿课题。

. 小行星研究状况简述

  小行星是太阳系中一些沿椭圆轨道绕着太阳系质心运动, 但因为太小而称不上行星的天体。小行星可大至如直径约1000公里的谷神星Ceres,小至与鹅卵石一般。有16颗小行星的直径超过 240公里。它们位于地球轨道以内到土星的轨道以外的空间中。而大多数小行星集中在火星与木星轨道之间的小行星带里。由于小行星是早期太阳系的物质且质量很小,不会发生地球那样大的变质过程,因而保留了太阳系形成初期的原始状况,对于研究太阳系起源有重大价值小行星的发现同提丢斯- 波得定则的提出有密切联系,根据该定则,在距太阳距离为2.8 天文单位处应有一颗行星,1801年元旦皮亚奇果真在该处发现了第一颗小行星谷神星。在随后的几年中同谷神星轨道相近的智神星,婚神星,灶神星相继被发现。天文照相术的引进和闪视比较仪的使用,使得小行星每年发现率大增,到1940年具有永久性编号的小行星已经有1564颗。最早的小行星发现是用肉眼借助望远镜进行的,近几年随着观测技术的进展,对近地小行星的探测和研究工作开始得到国际上广泛的重视,许多大的小行星搜寻项目纷纷上马,截止到2001年7月,已发现的小行星总计达到11,500颗之多,预计在十年内,拥有永久编号的小行星数目将达到百万量级。

 

1.小行星的地面观测       

       用地面望远镜进行的小行星观测已经历了照相底片观测和CCD观测两个阶段,由于大口径望远镜和CCD
成像技术的使用,探测小行星的能力大为提高。在光学波段的观测基础上,小行星的红外观测,雷达观测也有
了一定的进展,特别是进入这个领域的研究人员的数目在逐年增多,实现了多波段的观测。地面观测的对象
除了主带的小行星外,近地小行星特别是近地双小行星系统成为了研究热点。MIT的主带小行星光谱巡天
(SMASS)自1990年开始使用2.4米望远镜在可见光波段进行CCD光谱观测,得到了上千颗小行星的光谱,并
建立了根据小行星反射光谱上某些吸收线特征进行小行星物理分类的系统,对某些特殊类型的小行星的表面
物质通过光谱观测与实验室光谱的比较得出了较好的结果。
 

2.小行星的空间观测

  在1991年以前所获的小行星数据仅基于地面的观测。1991年10月,伽利略号木星探测器访问了951号小
行星Gaspra,从而获得了第一张高分辨率的小行星照片。1993年8月,伽利略号又飞经了243号小行星 Ida,
使其成为第二颗被宇宙飞船访问过的小行星。而该领域最为激动人心的无疑是“近地小行星会合(NEAR)飞船
计划”的巨大成功。NEAR飞船于2000年2月14日成功进入近地小行星(433号) Eros(爱神星)的轨道,于2001
2月12日在爱
神星上实现软着陆,至2001年2月28日探测器完全停止工作 。飞船对爱神星进行了为期一年的环绕飞行观
测,期间发回了大量珍贵的有关小行星表面地理构造、矿物分布和物理性质等等方面的观测资料,取得了
许多意想不到的重要结果。“NEAR飞船计划”是小行星研究的一座里程碑,它的成功标志着小行星空间观
测时代的到来。  
 

3. 未来的小行星空间计划

 世界上在小行星研究方面处于领先地位的是美国,其它国家如意大利等国也在某些方向上处于领先地位。亚洲的日本近几年在小行星研究方面有很大的进步,特别是在对有关陨石的实验室研究和小行星的空间探测上都有很大的成绩。现阶段有关小行星的空间计划除美国NASA的几个大项目外,最引人注目的就是日本和NASA等合作的MUSES-C(Multiple Fly-bys and Sample Returns to Main Belt Asteroid Families)。这项空间计划除了飞越属于同一小行星族的几颗小行星外(暂定Koronis族的3-5颗小行星或其它小行星族的小行星),还将对近地小行星(25143)1998 SF36进行飞越碰撞采样,并将样本送回地球。这项计划将对人类进一步了解小行星的各项性质和太阳系的起源产生重大影响。

 

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. BATC小行星巡天的概况

  国家天文台施密特CCD小行星巡天计划(BAO Schmidt CCD Asteroid Program,简称SCAP)是由中国科学院国家天文台观测宇宙学课题组从1995年5月开始实施的一个以发现小行星(包括近地小行星)为主要目标的观测研究计划。它利用无法做高精度天文测光观测的非测光夜以及天文昏影终之前和天文晨光始之后的一段时间进行专门的小行星搜寻工作,同时也从施密特望远镜的高精度天文测光观测资料中进行小行星搜寻。

 

 SCAP使用国家天文台兴隆观测基地的60/90厘米施密特望远镜进行观测。这台望远镜目前由国家天文台观测宇宙学课题组负责,进行以BATC巡天为主要项目的测光观测。它的焦比是f/3.0,配备了一个2048×2048的CCD,视场为58角分×58角分。目前小行星观测一般使用标准的R宽带滤光片。

 

 小行星观测一般对选定的同一天区拍三或四幅图像。观测资料获得之后首先进行平场改正和图像的位置定标,然后通过我们发展的计算机自动搜寻程序进行小行星搜寻。某些情况下同时使用我们在IRAF环境下发展的专门的小行星处理软件进行减星之后的图像合并,进而进行小行星的判定和测量。

 

观测结果直接通过电子邮件发送给国际小行星中心,在那里得到证认、编号和轨道计算。对于由我方得到暂定编号,但轨道定得不准的小行星,再安排进一步的定轨观测。对于发现的重要小行星进行后继观测。

 

经过三年的努力,我们建立和完善了一整套有效的小行星观测和发现的管理系统,发展了适合自己特点的计算机自动处理软件,建立了小行星发现数据库。同时,与世界上一些重要的小行星观测台站和研究人员建立了良好的联系。

 

小行星巡天进展情况

 传统照相方法能够观测到的小行星一般都亮于16等。图一给出了SCAP观测的2449颗小行星的星等分布。从中可以看出,SCAP观测到的小行星的星等分布峰值在18到19.5等左右,而在这一星等范围内的小行星大多都是新发现。从中还可以看到,SCAP系统所能观测到的最暗的小行星(对普通的运动速度)在21等左右。图一中星等分布的峰值远离系统的极限星等主要是由于小行星观测大多是在透明度不好的非测光夜进行造成的。

图一. SCAP观测的2449颗小行星的星等分布

 

截止到20025月,共发现获得国际暂定编号的小行星2707颗。其中有575颗小行星已经获得永久编号和命名权。在获得暂定编号的2707颗小行星中,另有507颗小行星已经有多次回归观测并得到主要编号,因此预计也将在未来的若干年中由该项目组获得最终的发现权和命名权。

 

 目前,在已经获得命名权的566颗小行星中,我们对22颗小行星进行了命名。他们的编号及名称如下:

 (7072) Beijingdaxue 北京大学

 (7145) Linzexu 林则徐

 (7494) Xiwanggongcheng 希望工程

 (7497) Guangcaishiye 光彩事业

 (7681) Chenjingrun 陈景润

7683)Wuwenjun 吴文俊   

 (7800) Zhongkeyuan 中国科学院

 (8050) Beishida 北京师范大学

 (8117) Yuanlongping 袁隆平

 (8311) Zhangdaning 张大宁

 (8313) Christiansen克里斯琴森

 (8315) Bajin 巴金

 (8423) Macao 澳门

8425)Zirankexuejijin自然科学基金

10929)Chenfangyun 陈芳允

10930)Jinyong 金庸

11637)Yangjiachi杨嘉墀

 (14147) Wenlingshuguang 温岭曙光

14558)Wangganchang王淦昌

17693)Wangdaheng王大珩

18550)Maoyisheng茅以升

28242)Mingantu  明安图

 

  根据对截至1997年5月的小行星观测和发现情况的统计(中野主一,1997),SCAP在1995年的观测数据量在国际上当年有小行星观测的135个天文台站中排名第5位,小行星发现数目排名当年第3位。1996年SCAP的观测和发现数均排名当年国际第4位。在所有小行星观测台站中,SCAP的小行星观测总数排名国际第12位,考虑到当时SCAP的观测时段只有两年,而不少小行星观测台站已有十几年甚至几十年的历史,这一名次的取得是非常不容易的。

 

  1997年1月20日,SCAP发现了我国第一颗近地小行星,暂定编号1997 BR。由于其轨道与地球轨道极为接近,发现之后引起各国小行星观测台站和研究者的极大重视,对其进行了大量的后继观测和研究,包括测光观测(Petr ,1997)和雷达观测(Ostro,1997),使它不仅成为1997年被观测次数最多的小行星,也成为历史上被观测次数最多的暂定编号小行星之一。

 

 

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. 小行星的物理观测

1. 小行星观测的意义

  对于小行星的天体测量观测,可以精确确定小行星的运动轨道,进行有关的天体力学和动力学方面的研究。当计算出了小行星精确的轨道之后,还可以用它来更精确地确定其它大行星的质量、有关地球运动的参数、太阳视差、天文单位,以及基本坐标系中的常数。而小行星的物理观测,是为了研究小行星的有关物理参数,如大小、形状、组成、表面成分、自转速度、自转轴的指向,以及是否有卫星等等。从物理观测的数据我们还可以研究不同组成的小行星的星等分布,同样也可以研究小行星的动力学、碰撞概率、轨道参数分布、共振、与彗星和陨石的关系,及小行星及其轨道的起源和演化。

 

2. 小行星观测时机的选取

  一般来说,冲日附近(外行星)和合附近(内行星)时是小行星的天体测量观测的最佳时刻。冲日附近小行星迅速增亮,其视运动速度也达到极大值,对于小行星的发现和后期跟踪提供了很好的观测条件。因此,许多小天区小行星巡天项目把小行星的天体测量观测放在冲日附近。

 现在CCD观测已经成为小行星地面光学观测的主要手段。在此基础上的小行星的物理观测,如小行星的测光观测、光谱观测等,同样对于小行星在观测时的亮度(视星等)有一定的要求。小行星的视星等越亮,观测时CCD上接收的光子在相同时间内就越多。冲日时视星等较亮,CCD的曝光时间相比需要更少,但是由于冲日时小行星的视运动处于极大值附近,位置变化较快,这为我们得到较高信噪比的物理观测资料,特别是光谱和测光观测,增加了难度。考虑小行星留时的运动情况后我们发现,留时小行星处于顺行转为逆行或是逆行转为顺行的时刻,其视运动在黄经方向上处于极小值,在留前后一般来说小行星移动缓慢,似乎是相对静止不动的,如果此时小行星的视星等较冲日时变化不大,那么留时就应该是物理观测的最佳时刻。我们从推导小行星在地心黄道坐标系下的视运动方程出发,研究了小行星冲日附近与留附近的视运动特点和视星等变化特点,并结合国家天文台兴隆观测基地的观测仪器和有关条件,由此来讨论小行星物理观测的最佳时刻。 

 

3. 施密特CCD小行星的物理研究

  随着国外大望远镜对小行星搜寻的投入,使得目前小行星的观测和发现数目和五年前相比有量级上的提高,希望在小行星的发现上再有所突破将会越来越困难。然而,国外大望远镜的观测时间中虽然有相当的比重用于小行星观测,但比较多的时间还是侧重于发现和天体测量观测,可用于物理研究方面的时间非常有限,远不能与目前飞速发展的小行星发现相适应。特别是对近地小行星,由于它们的运动特点,往往可观测“窗口”较短,对它们进行及时的观测显得尤为重要。我们可以充分发挥施密特望远镜视场大,极限星等高的优势,选择国际上新发现的重要的近地和有潜在危险的小行星进行及时的单色测光观测,迅速处理数据在很短的时间内得到小行星的自转周期。同时选择由SCAP项目自己发现的并获得永久编号的小行星进行观测,获得其光变周期等物理信息。

 

3.1测光观测及数据处理

  我们参考国际上较为统一的标准方法,结合施密特望远镜系统自身的特点,并根据目标源的亮度和速度决定积分时间,尽可能地提高图像的信噪比,获得较高质量的测光资料。一般情况下,对于位于主带的小行星,通过对其运动特点的分析,同时考虑亮度和视运动速度等因素,对其轨道进行计算,选择最佳的观测目标源进行物理观测。在较长的一段时间里,每天均对目标源有观测,采用标准的I宽带滤光片,每幅图曝光200-300秒,每小时间断地拍两到三幅图。在积累了足够的测光数据之后,首先对图像进行平场改正和位置定标,然后利用小行星的轨道根数和观测时间,计算出小行星在每一幅图中的位置。 对于一天的观测数据,小行星在接近1度的视场中的位移不大,可以在图像中选取固定的4至5颗亮星作为比较星。我们在IRAF环境下建立了一套测光程序,可以方便快捷的处理测光资料,迅速得到目标源和比较星的仪器星等。对比较星的星等进行零点改正后,取已知星等的比较星中变化最稳定的一颗作为标准得出小行星的相对V星等。由于小行星的位置在不断的变化,所以不同时间段选取的标准星会有所不同,需要改正各标准星彼此之间的差异。最后利用IRAF软件中的PDM程序同时参考Alan Harris (1989)编写的国际上通用的Fourier分析方法对观测数据进行周期分析,得到小行星的光变周期。对于近地的小行星,这是一类快速移动的天体,能够观测的时段非常有限,需要对这类目标采用集中观测的方法,在连续的几天里持续观测。由于近地的小行星自转往往比较快周期短,所以每幅图连续采取曝光以获得高精度的小行星测光资料。 

 

3.2光谱观测及数据处理

  对小行星的光谱观测是确定小行星的物理分类的一个重要方法,小行星在可见光波段以及红外波段的光谱观测对确定小行星表面成分等方面的研究也具有重要意义。在获得测光资料的同时,我们使用国家天文台兴隆观测站2.16米望远镜对目标源进行了光谱观测。

 我们小行星的光谱观测。采用低色散光栅10Å/pix, 波长范围为3000 Å-9000 Å。根据观测时间和恒星的位置,选取太阳同光谱型恒星16 Cyg B Hya 64中的一颗作为光谱标准星,与目标源在相同条件下一同观测。光谱的平场和暗电流改正及波长定标均使用IRAF软件完成。将波长定标后的小行星光谱扣除太阳光谱的轮廓(即将小行星谱与类太阳标准星的谱相除),即获得小行星的相对反射光谱。我们将未知类型的小行星谱与已知分类的1341颗小行星(MIT的主带小行星光谱巡天 II (SMASS II)结果)相比较。根据小行星的光谱特征和反照率等信息,参照Bus et al.(2002)的分类方法确定观测目标的光谱类型。

 

3.3工作成果

在由小行星的发现观测向物理观测过渡的过程中,我们积累了一系列的小行星样本的观测资料。其中小行星2000 DP107 是一颗很著名的近地双小行星(Margot et al, 2002),我们利用BATC的望远镜系统对该小行星进行了测光观测,虽然由于天气的原因,仅得到了有限的观测资料,但是我们仍然分析出了其自转周期为2.77 0.01小时和国外同行的结果非常接近(Pravec et al., 2000),充分肯定了BATC的望远镜系统的观测精度和我们数据分析的可靠性。在确定该小行星的自转周期的同时,我们对2000 DP107 进行了光谱观测, 确定该小行星的光谱类型为“M”型。此项工作在意大利巴勒莫召开的小行星领域近十年来最重要的一次专业会议“小行星 2001 -- 从皮亚齐到第三个千年 (Asteroids 2001: from Piazzi to the 3rd millennium)国际学术研讨会上发表,相关论文已向“行星和空间科学”(P&SS)投稿。

 

 

  暂定编号为 2001 YB5直径约300米的小行星,于200217日附近非常接近地球,距离地球仅0.0055个天文单位,相当于2倍的月地距离, 引起了国际上极大的关注。尽管目前它暂时对地球不造成威胁,但是如果将来它环绕太阳飞行的轨道受附近某颗行星的影响,理论上仍将可能威胁地球,所以被列为““可能带来危险”的小行星。我们在2002年1月对这颗小行星进行了及时的观测,成为仅有的几个拥有其测光的资料的观测小组之一。经过周期分析,我们定出2001 YB5的自转周期为3.20 0.03小时。另一颗引起小行星界兴趣的近地小行星暂定编号 2002 TX16 是一颗非常亮的天体,最亮时视星等达到13.8等,这样的亮度在近地的小行星中十分罕见。我们由6天的观测资料得到它的自转周期为4.8005 0.0003小时。同时我们还利用国家天文台的2.16m的望远镜,对这两颗小行星进行了光谱观测,获得了该小行星有价值的光谱,并确定2001 YB5光谱分类为 “B” 型,2002 TX16, 的光谱类型为“Ch”型。该工作已在国际会议Asteroids, Comets, Meteors 2002上发表,得到国际同行的肯定。

4.小行星数据库

建立小行星数据库的目的是为了提供一个查询小行星资料的方便的环境。主要可以进行的是统计工作,通过小行星数据库得到某些统计结果。数据来源是国际小行星中心每月提供的数据astorb.dat。数据库采用的平台是PC Pentium III 450,64.0MB RAM,Harddisk 30GB的机器,操作系统采用Redhat Linux 7.1,数据库管理系统采用MySQL 3.23.22-beta。

数据库结构:

 

astorb001213

01_AN

02_NoPD

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 


说明:astorb001213表记录中的小行星编号01_ANmpn表记录中的小行星编号01_MPN相匹配;mpu表记录中的小行星临时编号02_PoTDastorb001213表记录中的02_NoPD相关联;mpu表记录中的小行星临时编号02_PoTD同时与表ids记录中的小行星临时编号PoTD相匹配。通过将上述各表中的相关记录相对应,就可以将这些表联系起来进行多表联合查询了。

数据库使用方法:

*   启动数据库:启动机器时,数据库自动启动。

*   关闭数据库:机器关机时,数据库自动关闭。

*   登录数据库:mysql –u guanmin –p

然后键入password即可登录。

*   退出数据库:mysql> quit

 

数据库查询方法:

交互式查询

 

交互式查询方式是指通过数据库的客户端程序登陆到数据库中,执行SQL(结构化查询语言)进行查询的方式。交互式查询的优点是指令可以随时修改,比较灵活。

 

可查询:

 

1.不同分类小行星的资料。

 

2.有关日期与时间的资料。

 

3.联合查询:它能够将一样东西与另一样东西相关联,这样使得能够结合多个表中的信息来解答单个表不能解答的问题。

 

 批处理式查询:

 

批处理方式是指在操作系统命令行方式下执行事先编辑好的shellSQL文件来查询数据库的方式。批处理方式的优点是可以进行大批量的查询工作,效率比较高。

 

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.未来工作展望

  SCAP计划最大的特点在于充分利用了国内现有设备和观测站的天气情况,在几乎没有增加任何额外大型设备前提下,迅速使我国小行星观测水平进入国际先进行列。在不断总结经验,提高观测精度的同时,我们将进一步扩大样本的数量,获得更多的新发现的重要小行星的第一手观测资料,加强在近地小行星(尤其是有潜在危险的小行星)观测和研究方面的国际交流与合作。我们还将开展对小行星轨道计算方面的研究,加强对已发现的小行星的定轨观测以及对其中的特殊小行星的后继观测,并开展相应的物理研究。

 

  今后的工作将把小行星的物理研究深入扩展,由BATC获得的高质量的测光数据确定出小行星自转轴方向,模拟小行星的形态结构。这将是一项十分有意义的工作,确定了小行星的自转轴方向和形态,就可以讨论小行星的演化历史和物理特征,将对于太阳系起源的研究提供重要信息。在完成对小行星的光谱分类之后,可以通过对其连续谱特征的研究,进一步分析小行星表面的化学成分。

 

    在小行星数据库方面,下一步要进行的工作首先是进一步完善数据库,将其余相关的数据文件导入asteroids库,并建立表与表之间的连接。按照国际小行星中心每月公布的数据对数据库进行定期及时的更新,同时对小行星的不同性质进行一些统计工作,并对查询结果做图表分析,寻找统计规律。为了尽可能缩短查询时间,下一步的目标还要优化数据库系统的性能。索引是加快查询的最重要的工具,单表查询中使用索引消除了全表的扫描,可以极大加快搜索速度;在执行多表的连接查询时,索引更有价值。所以要适当的创建索引,以便于更快地处理查询。为方便大多数人的使用,还可以尝试将mysql的能力与web环境结合起来。对大多数人来说,通过填写一定的格式来指定搜索参数的形式比通过发布select语句更容易。Mysql不直接提供对web应用程序的支持,但通过组合带有适当的工具的mysql,通过web可以很容易地访问数据库。使用web服务器可以指定查询,向客户的浏览器报告结果。

 

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参考文献

[1] Bus S.J., Binzel R.P., 2002, Icarus, 158: 146

[2] Margot J.L. et al., 2002, Science 296: 1445

[3] Pravec P. et al., 2000, IAU Circ. 7504

[4] Williams G.Status Report for BAO Schmidt CCD Asteroid Program, Dec. 11, 1997.

[5] 杨彬,高健,朱进.“小行星2001”国际学术研讨会简况, 天文学进展, 2002, 20: 104.

[6] 高健,2002,硕士学位论文。