□ 北京八一學校 李佳潤

搜尋近地小行星

□ 北京八一學校 李佳潤

近地小行星對地球構(gòu)成威脅

小行星是太陽系中類似行星那樣環(huán)繞太陽運動，但體積和質(zhì)量比行星小得多的天體。據(jù)估計，在太陽系中存在著數(shù)以百萬計的小行星。小行星的存在對地球及其生命生存環(huán)境造成了較大的威脅。

根據(jù)國際小行星中心官網(wǎng)記錄，截止到201 5年1 0月1 4日，目前天文學家根據(jù)觀測結(jié)果確定的小行星達692604顆，近地天體（Near-Eart h Obj ect s）13179個，彗星3852顆。天文學家研究認為，直徑大于1千米的小行星撞擊地球的概率為每10萬年1次，而僅一次就可能毀滅地球。 因此，及時地發(fā)現(xiàn)近地小行星，測定并持續(xù)監(jiān)測它們的準確位置和運動趨勢，是十分必要的。

人人可參與近地小行星搜尋

國際小行星搜尋活動（IASC, Int ernat i onal Ast eroi d Search Campai gn）由美國宇航局（NASA, National Aeronautics and Space Admi ni st r at i on）天文研究所（ARI, Ast ronomi cal Research Institute）和國際動手天文教學組織（HO U, Hands O n Universe）等機構(gòu)共同發(fā)起。由來自全球9個國家在內(nèi)的參與單位提供望遠鏡、觀測資料和指導專家，組織國際學生實時處理天文觀測圖像數(shù)據(jù)，參與搜尋探索新的小行星和近地天體，并對已知的彗星和近地天體不斷變化的準確位置和運動趨勢進行長期跟蹤監(jiān)測，進而確認或排除近地移動天體對地球的危險性。

國際小行星搜尋活動的原始資料來自天文學家的觀測結(jié)果?？茖W家通過天文望遠鏡獲取天文圖像資料，國際HOU組織將這些資料發(fā)送給活動參與者。利用這些天文圖像資料和天文圖像數(shù)據(jù)分析軟件“Ast romet ri ca”，“國際小行星搜尋”活動的參與者們即可進行圖像數(shù)據(jù)分析，進而搜索小行星。

利用“Astrom etrica”軟件可以將天文圖像資料進行初步處理，將三張或多張連續(xù)拍攝于同一天區(qū)的天文圖片對齊，并進行連續(xù)播放，圖片中的固定天體為恒星，按照一定步長或次序移動的天體則可能為小行星。

近地小行星搜尋工作的準備

應(yīng)用“Ast romet ri ca”軟件搜尋近地小行星，包括多個環(huán)節(jié)，首先是軟件準備工作。在電腦上安裝“Astrometri ca”軟件；設(shè)定工作環(huán)境（File/Settings/Environm ent，指向路徑：C:/Astrom etri ca）；依實際需要設(shè)置望遠鏡參數(shù)（例如：Open xinglong.cfg或SSON-G84.cfg）。望遠鏡及CCD參數(shù)設(shè)定如圖1、圖2所示。

圖1 “Astrometrica”軟件CCD參數(shù)設(shè)定

圖2 “Astrometrica”軟件望遠鏡參數(shù)設(shè)定

圖3 加載好的一組fits文件（FOV07-2014-0105）

更新軟件數(shù)據(jù)庫，下載最新日期更新包（如201 4-02-09_92353.rar），在工作環(huán)境（C:/Ast romet ri ca）下解壓并全部覆蓋。退出軟件并重新啟動以使配置生效。然后，加載從組織方獲取的成組的天文圖像文件（Fi le/Load Images，所加載為一組f i ts文件，多為3個一組，也有多于3個的）。加載好的一組fi ts文件如圖3所示。

肉眼搜尋小行星的步驟

1選取“Astrom etrica Data Reduction”鍵（圖4中左數(shù)第5鍵），抽取恒星數(shù)據(jù)，選取參考星，標定圖片。標定過程中，選取自動參考星標定模式。圖5為經(jīng)過標定的fits文件。

圖4 “Astrometrica”軟件常用工具界面

圖5 經(jīng)過標定的fits文件（3of3-FOV7-2014-0105）

圖6 典型小行星運動軌跡

2點擊“Blink current Images”鍵（圖4中右數(shù)第一個鍵），將一組fi ts文件循環(huán)播放，放大圖片對各個天區(qū)進行觀察搜索，對類似于小行星的天體進行標定（用鼠標單擊該點）。圖6為一組典型的小行星運動圖片。

小行星判斷彈出窗口如圖7所示。逐幀播放fits圖片，連續(xù)以同一名稱標定三次，以確定小行星軌跡。

圖7 “Astrometrica”軟件小行星判斷窗口

計算機搜尋-肉眼判斷搜尋小行星

點擊“Moving Object Detection”鍵（圖4中左數(shù)第6鍵），通過計算機自動搜尋疑似小行星對象。計算機可能會找出多達數(shù)百組疑似小行星候選體數(shù)據(jù)，其中絕大部分為干擾信號可排除。按照小行星判定標準依次排除干擾信號，接受符合標準的小行星候選體。

如果為干擾信號，則點擊圖7中判斷窗口的“Reject”鍵排除。

計算機搜尋準確度較差，包含大量的噪點及干擾信號，在小行星搜索實踐中，往往需結(jié)合肉眼進行綜合搜尋。

后續(xù)的確認工作

如果所選取的點基本符合要求，還需進一步確認該小行星候選體是否是已被發(fā)現(xiàn)的小行星?？蓡螕簟癒nown Obj ect Overlay”鍵（圖4中右數(shù)第5個鍵），顯示已知天體/小行星運動軌跡。對于已知移動天體，可進一步提供確認報告。

如果該移動目標不在已知小行星之列，則可認定為新發(fā)現(xiàn)的小行星候選體。其命名格式一般采用三個字母加四個數(shù)字的形式，如：J RL0001。將該命名輸入到圖7判斷窗口Object Designation欄中右側(cè)的輸入框中。

完成該組數(shù)據(jù)的搜尋工作后，單擊“Send MPC Report”鍵（圖4中左數(shù)第8個鍵），導出、整理搜尋報告。

此外，在搜尋過程中，還可對圖像進行取反（單擊“Invert Image”，圖4中右數(shù)第6個鍵），以提高辨識度。

判斷是否為小行星需注意的問題

1.一般情況下，小行星的形狀為不規(guī)則的圓形，形狀怪異如方形、長條形則一般是噪點或污染物等，一般可以排除。

2.小行星的運動步長及次序是規(guī)律性的，在3張fits圖片的連續(xù)播放中，一般其運動步長相當，移動位置也按照fits文件切換的順序依次變化。移動步長過大的、位置變化方向顛倒混亂的不是小行星。

3.一般情況下，主帶小行星的運動軌跡和已知小行星的運動軌跡基本平行，多近似直線，不過也存在軌跡特殊不與已知軌道平行的小行星。

4.小行星的波形符合度較高，曲線規(guī)則。反之則可能為熱相元或周圍恒星的干擾。

概括來講，判斷fits文件中的疑似信號是否為小行星，要依據(jù)如下的判斷標準。

5.一般小行星有足夠的信號強度，與背景顏色接近或影像虛化的一般不是小行星。

6.離亮星（接近飽和）很近的移動點，絕大多數(shù)情況下是干擾信號，而不是小行星。

此外，在搜尋小行星的過程中還需注意排查所發(fā)現(xiàn)點是否為已知小行星，將疑似點坐標和已被發(fā)現(xiàn)的小行星坐標進行比較，誤差在1角秒以內(nèi)的目標一般可認為是數(shù)據(jù)庫中已有的小行星。

“三色合成法”搜尋小行星

不同波長的可見光投射到人的眼中呈現(xiàn)出不同的顏色。人眼對R（紅）、G（綠）、B（藍）三色最為敏感，而大多數(shù)的單色光可以通過RGB三原色的單色光按照不同的比例合成產(chǎn)生。同樣的，絕大多數(shù)單色光也可以分解成RGB三種原色，即RGB三原色原理（圖8）。當紅綠藍三色光以1：1：1的比例混合、達到一定強度時，就呈現(xiàn)為白色（即合成為白光）；如果這三種顏色光的強度均為零，則呈現(xiàn)為黑色。RGB三色合成的原理在電視、電腦等主動發(fā)光的電子顯示設(shè)備（顯像管）上具有極為成熟和廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)用天文圖像數(shù)據(jù)處理軟件（如DS9）對連續(xù)拍攝的同一天區(qū)的天文圖像分別賦予RGB三原色（如果為四張圖片一組，則可分別賦予CM YK四色）進行對齊、合成。此時，背景恒星位置固定且為白色，而移動天體如近地小行星在RGB（紅、綠、藍）三色合成圖像上則呈現(xiàn)為顏色不同而次序排列的點源，方便識別和確認，即小行星搜尋“三色合成法”。

“三色合成法”搜尋近地小行星首次應(yīng)用于小行星搜尋活動，是對常規(guī)方法的重要補充和創(chuàng)新性改進。

圖8 RGB三色合成原理圖

“三色合成法”的優(yōu)點

圖9 合成前的一組fits文件（部分）

圖10 用DS9軟件合成的天文圖像

圖9為合成前的一組fits文件。圖10為對圖9中fits文件應(yīng)用三色合成法編輯后的輸出文件。圖中彩色的圓圈標注了一組小行星候選體的移動軌跡。

小行星標定窗口中的天文信息

“三色合成法”小行星搜尋主要有如下兩方面的優(yōu)點：

首先，“三色合成法”極大地提高了軌跡辨識度，原有方法僅通過顏色單一的軌跡點搜尋小行星，圖像清晰度較差，搜尋效果受天文圖像質(zhì)量制約很大。而“三色合成法”賦予小行星軌跡點清晰且具有明確區(qū)分度的顏色，方便搜尋者快速識別和確認小行星，大大提高了搜尋效率。

其次，“三色合成法”具有更好的搜尋命中率，由于所選取的RGB三原色順序固定，在小行星軌跡點上呈現(xiàn)的顏色也是固定的。小行星運動軌跡因此呈現(xiàn)出特定的顏色順序，這在很大程度上方便了搜尋者排除熱點、噪點，尤其是當不同顏色的點出現(xiàn)的順序與已知小行星和已確定的小行星候選體不同時，很容易剔除假候選體，提高了搜尋準確率。

圖11為標定小行星時，“Astrom etrica”軟件的彈出窗口。了解該窗口中各部分的天文學意義，可以更好地對小行星疑似體進行判斷，是十分必要的。

圖11 “Astrometrica”軟件小行星判斷窗口

圖11中，PSF.Fit欄主要描述信號信息，其中，SN R值為信噪比，噪聲等干擾信號的信噪比多低于3，而恒星的信噪比大于5，一般小行星的信噪比在3到5之間，而不同圖片同一天體的信噪比差異一般不大。Flux表示目標區(qū)域內(nèi)的信號強度。FW H M為半高全寬，同一天體在3張圖片中的FW H M值保持一致。Fit RM S表示均方根殘差，該值越小越好。Inform ation欄的RA表示赤經(jīng)，D e表示赤緯，這組數(shù)據(jù)確定了小行星的位置。綜合比較赤經(jīng)赤緯數(shù)據(jù)可排除已發(fā)現(xiàn)的小行星。V是視星等。

搜尋小星星的收獲

通過積極參與國際小行星搜尋活動，筆者先后發(fā)現(xiàn)了主帶小行星TO V5EP、TO V5EG、AR51、AS51，并確認了主帶小行星N EO SV 114。同時，在小行星搜尋工作中，創(chuàng)新性地利用了“三色合成法”。搜尋實踐證明，“三色合成法”具有較高的搜尋效率和命中率，其推廣應(yīng)用對于天文科普教育的普及具有重要促進意義。

（感謝八一中學的張華生老師在文稿成文過程中對于思路和行文的指點和幫助，感謝國際小行星搜尋活動的組織者郭紅峰老師一直以來的悉心指導。）

（責任編輯 張長喜）