Just Look Up!小行星监测系统「哨兵」全面升级
2022 1月 17 By binance币安怎么注册下载 0 comment
  • 作者/陈子翔|师大地球科学系、EASY 天文地科团队创办者

看到下图密布於太阳系的小行星轨道,你是否会对小行星撞地球这样的灾难感到担心呢?

事实上面对小行星的撞击风险,科学家也是严阵以待。毕竟即便是一颗直径只有数十公尺的小行星撞上地球,其威力也足以摧毁一座城市。更何况还有许多直径数百公尺,甚至数公里的近地小行星(near-Earth asteroids)存在。因此,对於这些小行星的观测、研究与监控就显得格外重要。

揪出藏身夜空中的小行星

对近地小行星监测的第一步,就是要先找出「它们在哪里」。如同在战场上比起收到敌方要发动攻势的情报,更可怕的就是连敌人是谁、敌人在哪里都还不清楚就被暗中袭击了。

然而棘手的是,由於直径小,反照率低的特性,小行星的亮度往往非常低,需要仰赖观测性能强大的天文台才有办法看见它们。但大型天文台的观测视野却通常很小,难以有效率的「扫描」广大的夜空,而且这些天文台本来就有很多天文研究工作要进行,能拨给小行星观测的时间也相当有限。

有监於这些因素,专门设立搜寻近地小天体的计画与望远镜,就成了更合适的选项。像是林肯近地小行星研究小组(Lincoln Near-Earth Asteroid Research, LINEAR)、卡特林那巡天系统计画(Catalina Sky Survey, CSS)以及泛星计画(Pan-STARRS)等。它们扮演「小行星猎人」的角色定期扫视夜空,寻找移动中的可疑光点。目前透过这些计划发现的近地小行星已经多达数万个。

用自动化的监测系统,找出小行星中的「危险份子」

发现这些小行星的下一步,就是由观测资料计算出它们的轨道,并找出哪些小行星对於我们的威胁比较大。而面对数量庞大的近地小行星资料,NASA 喷射推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)早在 2002 年就开发出一套名为「哨兵(Sentry)」的监测系统,运用设计好的演算法,自动化的评估每个近地小行星撞击地球的机率,并列出对地球威胁比较大的小行星名单。

以目前的速率来看,每年大约有 3000 个新的近地小行星被发现。而未来随着更多更先进的天文台投入小行星搜寻的计画,可以预期小行星的发现数量还会出现显着的成长。因此就在不久前,NASA 的天文学家已发展出下一代更先进的小行星监测系统:哨兵 II(Sentry II),以因应未来更庞大的资料,同时也对已经使用了近 20 年的哨兵系进行补强。

监测系统升级上线,更完善的为地球把关

就如同各种应用程式都会进行版本更新,并在更新中修正上一个版本的缺点,这次哨兵 II 系统的升级,也从哨兵一代系统多年累积的经验进行修正。

首先,第一代哨兵系统只有计算万有引力对小行星轨道的影响,并没有考量其他外力,例如来自太阳的辐射压等等。这些力量虽然相对微小,但积少成多、聚沙成塔,长期下来也能影响小行星运行的轨道。另一方面,由於小行星本身会自转,因此小行星的受光面和背光面会不停改变方向,如此一来热辐射对小行星造成的力,也会随着转动而变化,这个效应被称作「亚尔科夫斯基效应」(Yarkovsky Effect)。而哨兵 II 的演算法都有将这些因素纳入考量,让小行星的轨道估计算更为精准。

再来,当小行星的非常靠近地球时,受到地球引力的影响,轨道以及速度都会大幅改变。其原理与太空探测器借助行星的引力来改变自身的轨道和加减速的「重力弹弓」效应相同。

然而太空探测器上面有很多精密的仪器提供科学家精准的定位,小行星却只能透过地面观测来估算出它的轨道,科学家其轨道掌握的精确度当然就比较差。而当小行星接近地球时,轨道的计算误差就会被大幅放大。一个小行星飞掠地球时几百公尺的误差,到了下一次来访时可能就成了几千公里的差别了。而这几千公里,就有可能是「撞上地球」和「安全通过」的差距。好消息是,由於在轨道计算上考量的因素更全面,演算法也更加精密,让哨兵 II 即使在面对这样的状况,也能计算出更为精准的结果。

最後,哨兵 II 系统在计算小行星的撞击风险时,判断的方式也相较上一代系统更缜密。如同任何观测与测量,小行星的轨道也会存在误差,而哨兵 II 会从小行星轨道的误差范围内随机取样进行计算,以检查小行星有没有撞上地球的可能性。相比於第一代哨兵系统预先将有撞击风险的轨道推算出来後才评估撞击机率的做法,这样的更新能降低漏网之鱼出现的可能性。

持续探索可能的威胁

小行星、彗星等天体的撞击一直以来都是很多科幻作品的题材。从科学的角度来看,太阳系中也的确存在非常多小天体,可能对地球上的生命构成威胁。虽然对於近地小天体的灾害预防,当今的科学与科技还远达不到万无一失的程度,但过去三十年,人类对近地小行星的认识已有了显着的进展。从搜寻小行星的各个计画,到针对小行星的太空探测任务,以及本篇文章介绍的两代哨兵监测系统,都带给我们许多重要资讯,立下人类面对小行星撞击风险时不可或缺的基石。

延伸阅读

  • 灾难片成真!?小行星「贝努」行踪飘忽,撞地球的机率有多大?
  • 夜空中的守望者- 望远镜如何保卫地球? 科学月刊 600期
  • 天文观测的新挑战──谈泛星计画

参考资料

  • NASA’s Next-Generation Asteroid Impact Monitoring System Goes Online
  • A novel approach to asteroid impact monitoring and hazard assessment

  • 情慾、性别、身体与性犯罪——科学视角下的性教育
  • 如何打造科学家的房间!科学实验室EP.6 — 会动的AR绘本
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