小行星“管家”――小行星中心那些事

小行星中心正跟踪着数十万颗小行星――也许其中有一颗正在向我们飞来。

  截止1998年6月18日,查尔斯・尤尔斯(Charles W. Juels)(1944-2009),这位退休的物理学家兼天文爱好者使用他25厘米的反射望远镜已经完成了对43颗小行星的观测。这些小行星都非常遥远、暗弱,亮度在12等到16等之间。捕捉它们需要电荷耦合器件(CCD)照相机曝光1分钟的时间。

  尤尔斯会在连续两晚以30分钟为间隔来对某一颗小行星进行2-3次拍摄,之后他会把观测结果上报给位于美国麻萨诸塞州坎布里奇的小行星中心。小行星中心会利用这些观测来计算小行星的轨道,并由此来确认是否发现了新的小行星。

小行星“管家”――小行星中心那些事
[图片说明]:1993年8月28日“伽利略”探测器所拍摄的第243号小行星艾达及其卫星。版权:Galileo/JPL/NASA。

  在收到尤尔斯的观测结果之后,小行星中心确认他所观测的小行星都是已经被发现的。但是尤尔斯从来没有因此而气馁。1999年1月,他向小行星中心上报了对18等的小行星1999 YO的最新观测结果,这使得小行星中心能够更为精确地确定它的轨道,也由此使得这颗小行星拥有了永久编号19369。

  然而在这之前,尤尔斯才刚成为一名天文爱好者不久。

剪不断理还乱的“小行星”

  在英语中小行星有两个同义词:“asteroid”和“minor planet”。在2006年以前,国际天文学联合会更青睐“minor planet”。因为从字面上讲它有“小的行星”的含义,由此可以很容易地和地球或者火星这样的“大行星”区别开。但是,2006年8月,国际天文学联合会把冥王星降级成了“矮行星”,同时也把小行星和彗星归类成了“太阳系小天体”。

  自从1801年意大利天文学家皮亚奇(1746-1826)在火星和木星之间发现了被他称为“第八颗行星”的小行星以来,究竟该怎么称呼“小行星”一直处于混乱的状态。皮亚奇用罗马谷物和耕作女神将其命名为“谷神星”。提出“奥伯斯佯谬”的德国天文学家奥伯斯在1802年发现了一颗和谷神星类似的天体,它被命名为“智神星”。英国天文学家赫歇尔提出,这些天体应该被称为“小行星”(asteroid),即有“外表看似恒星”之意。皮亚奇对此感到不满,提出谷神星和智神星应该被分类成“微型行星”(planetoid)。

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[图片说明]:第25143号小行星糸川。版权:Hayabusa/JAXA。

  直到19世纪中叶,当天文学家开始大量发现这一类天体之后,“asteroid”和“minor planet”这两个词才开始流行起来。在英国“minor planet”成为了标准,并且被翻译成了其他文字在欧洲大陆上流传。同时,在美国出版的顶尖天文学杂志《天文学报》上则统一使用“asteroid”一词。

  这一“分歧”一直延续至今。2006年8月,国际天文学联合会把谷神星升级成为了“矮行星”。与此同时,关于冥王星被降级成矮行星的争议也是此起彼伏。尽管如此,小行星中心依然在从事对不断增长的太阳系小天体进行编纂整理的工作。截至2009年7月,小行星中心的列表中已经有216,916颗取得了编号,同时还存有数千万份的小行星观测资料。对于所有已经被发现的小行星而言,一切才刚刚开始。据估计,太阳系中还有数百万颗至今仍未被发现的小行星。已知最小的小行星直径还不足10米,最大的则有数百千米。

逐渐增多的小行星

  在19世纪50年代,巡天在火星和木星之间的“主带”中新发现了将近50颗小行星。到19世纪末,小行星的数量上升到了大约500颗。天文学家越来越多地使用照相法来寻找小行星,在长时间曝光下小行星会在底片上划出一条线。

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[图片说明]:第951号小行星加斯普拉。版权:JPL。

  时刻跟踪这些太阳系的新成员开始变得越发的困难。天文学家以发现的顺序来排定小行星的编号。但是曝光底片和检查照片之间的时间差使得这一顺序未必成立。小行星的编号反映的可能是天文学家处理底片的时间,而不是拍摄的时间。这一时间差还意味着,再一次找到先前某一时间所发现的小行星的可能性微乎其微。你必须要等待其他人在几年之后来观测同个天体并且把它和以前的观测相比较,这一过程被称为“认证”。认证的过程将为计算小行星的轨道提供便利。

采取措施

  随着小行星观测的不断增多,天文学家需要一种方法来时刻跟踪这些小天体,直到它们的轨道能被计算出来。这也是确认一颗新小行星的关键步骤。因此天文学家采用了一套对小行星进行临时编号的办法,来保存它们被发现的时间和顺序。

  从1925年开始,小行星的临时编号包含了年份和两个大写英文字母,如有必要还会添加一个下标。这些数字和字母代表了这次观测所处的半月,以及这颗小行星在这个半月所发现的所有小行星中的序号。例如,编号为2007 BA1的小行星,字母“B”代表了它是在2007年1月16-31日这个半月中被观测到的。字母“A”通常表示它是这个半月中首个被观测到的小行星,不过下标“1”则说明它是第26个。在这里,由于字母“I”被排除在外,因此其他的英文字母只能用来表示25颗小行星。此时,使用额外的下标就可以冲破这一限制。

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[图片说明]:第253号小行星马蒂尔德。版权:NEAR/NASA。

  在对一颗新的小行星或者矮行星观测了数年之后,天文学家会用一个永久编号来取代它的临时编号。最终,这颗小行星的发现者可以向国际天文学联合会提出命名。到目前为止,被正式命名的小行星大约有15,000颗。

物极必反

  到20世纪30年代,更为灵敏照相底片的使用使得小行星观测大幅度增加。这对于仅使用机械计算器来计算小行星轨道的一小部分天文学家而言负担实在太重。到1945年,每8颗有编号的小行星中就会有1颗会由于不可靠的认证而丢失。当时在适中的精度要求下,每年最多只能计算出几百颗小行星的位置。

  1947年,国际天文学联合会为了改善对小行星观测资料的处理在美国辛辛纳提天文台成立了第一个小行星中心。该天文台的台长保尔・赫格特(Paul Herget)担任了小行星中心的首任主任。赫格特和一个助手设法从辛辛纳提的企业那里借用电子计算机来计算行星的引力对数百颗小行星的作用。其他地方的天文学家然后则使用机械计算器来拟合赫格特的结果和小行星的观测资料。

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[图片说明]:第433号小行星爱神星。版权:NEAR/NASA。

  得益于美国印地安那大学的安排,1948年小行星中心将它的一架望远镜搬到了距离它校园40千米远的一个站点。学生和工作人员开始提高小行星观测的质量,并且重新寻找那些丢失的小行星。随着辛辛纳提大学有了自己的IBM 650计算机以及小行星中心人员的增加,小行星中心开始越来越多地承担行星对小行星影响的计算以及对观测和计算结果的拟合。

  到20世纪50年代末,轨道计算能力已大幅提高的小行星中心开始把更多的精力放到了认证新小行星上。到20世纪60年代中,印地安那的程序已经达到了它25厘米望远镜的极限。此后,前苏联的克里米亚天体物理台成为了全世界小行星猎手中的领跑者。到1978年,当赫格特退休、他的天文台关闭之际,轨道计算的精度已经大大地提高。那时,最新一颗获得永久编号的小行星是2060号小行星喀戎。虽然有十几颗有编号的小行星仍处于“丢失”状态,但二战之后获得编号的小行星轨道则都维持得很好。

乔迁

  1978年国际天文学联合会邀请布赖恩・马斯登(Brian Marsden)担任小行星中心的主任,并且负责将小行星中心搬迁至美国史密松天体物理台的事宜。搬迁之后的小行星中心继承了原先200,000份的小行星观测资料以及所有的临时编号小行星。

  新的小行星中心把刊登有小行星观测和轨道的《小行星快报》的出版周期从每6-8个月缩短到了每月一期。更频繁的出版也鼓舞了小行星搜寻者,这进一步推动了小行星的发现,甚至还减少了小行星丢失的数量。到从1958年起就供职于小行星中心的首席助理康拉德・巴德韦尔(Conrad Bardwell)于1989年退休的时候,小行星中心的小行星以及彗星观测资料上升到了差不多550,000份。此外,有正式编号的小行星数量也翻番到了4,295颗。在所有获得永久编号的小行星中,只有719号小行星阿尔伯特和878号小行星米尔德里德仍然丢失。

小行星“管家”――小行星中心那些事
[图片说明]:第216号小行星克里奥帕特拉的雷达成像。版权:JPL/Arecibo Radio Telescope/NSF/NASA。

  此后加雷思・威廉姆斯(Gareth Williams)接替巴德韦尔成为了小行星中心的副主任。他很快就引入了自动化程度更高的方法来提高计算能力。尽管当时电荷耦合器件(CCD)已经悄然兴起,但是直到20世纪90年代中它们才真正取代了照相底片。在那个时候,已经在海王星的轨道之外发现了除冥王星以外的其他天体,小行星中心的主要任务也变为搜寻穿越地球轨道的彗星和小行星,由此为潜在的灾难做好准备。为了适应近地天体的大量发现,1993年小行星中心开始发布《小行星电子快报》。

  1996年,小行星中心在它的网站上开设了近地天体确认页面。当一个观测者怀疑自己发现了一个新的近地天体的时候,小行星中心会在收到观测资料的几分钟内公布出未来24小时它的预计亮度和位置。这会促使许多天文爱好者和专业天文学家进行后续观测,小行星中心根据这些观测可以确定出近地天体的轨道。通常24小时或者36小时内的观测就足以较好地确定轨道,之后该天体就会从确认页面上删除,转而发布一个包含了相关信息的正式电子快报。这一过程完全取决于来自十几个不同国家观测者的无私奉献。

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[图片说明]:太阳系小天体分布。版权:NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC-Caltech)。

  到2000年,威廉姆斯重新找回了从1911年和1916年起就已经丢失的878号小行星米尔德里德和719号小行星阿尔伯特。由此,小行星中心所有有永久编号的小行星终于各归其位,并且这个队伍也在不断壮大。

全神贯注

  发现会和地球相撞的近地天体是非常重要的。但是对于像查尔斯・尤尔斯这样的天文爱好者来说,发现并且命名一个天体总是让他们着迷的。1999年,尤尔斯执着的搜寻终于得到了回报。

小行星“管家”――小行星中心那些事  1999年2月13日,他向小行星中发去了对两颗小行星的观测结果,其中一颗是以前尚未发现的。小行星中心给了它一个临时编号1999 CA3,意思是“1999年2月1-15日中发现的第76颗小行星”。尤尔斯继续对1999 CA3进行了多次观测,获得了可用于轨道计算的其他数据,这也使得小行星中心的计算机超负荷运转。

[图片说明]:查尔斯・尤尔斯(拍摄于2008年)。

  1999年2月21日,小行星中心的计算机发送了一份《小行星电子快报》,威廉姆斯确认了1999 CA3,以及先前发现的两颗小行星1982 EL2和1997 SF34。非常巧合的是,这一快报发出的时间正好是尤尔斯在那晚对1999 CA3完成了第3次CCD观测之后4分钟。

  到2001年10月,小行星中心已经足够好地确定了1999 CA3的轨道,因此给了它一个永久编号29750。为了纪念美国加州的天文爱好者卡里・克莱博拉德(Cary Chleborad),尤尔斯将其命名为29750克莱博拉德。

  尤尔斯独自或者和同伴保罗・霍尔弗坎姆(Paulo Holvorcem)一起“发现”了447颗小行星――其中近地小行星2002 UQ3对地球具有潜在的威胁。现在2002 UQ3已经获得了永久编号154302。尤尔斯的成功证明了小行星搜寻是天文爱好者能为天文学做出重要贡献的少数几个领域之一,它也许甚至还能拯救世界!

(本文已刊载于《天文爱好者》杂志2010年第1期)

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