小行星的發現歷史丨探測小天體

07-20

晴朗的夜晚，我們仰望夜空，就能見到那繁星閃爍，彷彿在對我們訴說著它們身世的秘密。然而在夜空的黑暗處，就在我們居住的太陽系內，有那麼一類數量極其眾多的天體，它們不像遙遠的恆星那樣肆意散發著自己的光輝，因此，人們只能藉助太陽的光芒才能一睹它們的芳容，它們就是太陽系小天體。

彗星和流星出現的時候，具有非常明顯的特徵，人們通常僅憑肉眼就能夠捕捉到。古代受到科技發展水平的限制，把彗星和流星的出現看作是對社會生活有重大影響的事件，頗為重視對彗星和流星的觀察。因此，彗星和流星也成為了自古以來人類觀測最多的小天體。

中國是古代各國中對天象的記錄最詳盡的國家，中國古代天文學家對彗星和流星的出現時間、軌跡以及形態聲音等都做了大量記錄，這為日後天文學的研究提供了寶貴的資料。到了15世紀中葉文藝復興時期，西方在儀器和數學計算方面的迅猛發展使得西方天文學家在天體觀測記錄方面取得了重大的進步，而相對於中國傳統的記錄方式也更加科學。

古代對小天體的觀測和認知

近現代小天體觀測

小行星的發現歷史

小行星本身的亮度比較低，不像彗星和流星一樣肉眼可見，因此直到19世紀才被人類第一次發現。早在1760年，就有天文學家猜測太陽系內的行星距離太陽的距離可構成一個簡單的數字序列，但在火星和木星間有一個空隙，所以應該有一顆尚未發現的行星位於火星和木星之間。18世紀末，許多人開始尋找這顆未被發現的行星。歐洲的天文學家們組織了世界上第一次國際性的科研方案，在哥達天文台的領導下全天被分為24個區，有系統地在這24個區內搜索這顆被稱為「幽靈」的行星，但沒有任何成果。

1801年1月1日晚上，朱塞普·皮亞齊在西西里島上的巴勒莫天文台進行觀測時，在金牛座里發現了一顆在星圖上找不到的星。皮亞齊本人並沒有參加尋找「幽靈」的項目，但他聽說了這個項目，他懷疑自己找到了這顆行星，他在此後數日內繼續觀測這顆星。他將自己的發現報告給了哥達天文台，但一開始他自稱找到了一顆彗星。此後皮亞齊生病了，無法繼續他的觀測。而他的報告用了很長時間才到達哥達天文台，此時那顆星已經向太陽的方向運動，無法再被觀測到了。

高斯在讀了皮亞齊的發現後就將這顆天體的位置計算出來送往哥達天文台。奧伯斯根據高斯的數據於1801年12月31日晚上重新發現了這顆星，即1號小行星穀神星。1802年，奧伯斯又發現了另一顆天體，他將其命名為智神星。婚神星和灶神星在1803年和1807年被相繼發現。此時，拿破崙戰爭的爆發使得科學家不得不中斷了對小行星的觀測，直到1845年第五顆小行星義神星才被發現。到1890年為止已有約300顆已知的小行星了。

在小行星發現初期的幾十年間，它們都被認為是行星，到了1851年，這些天體的數量達到23個，天文學家開始改用小行星這個字眼來稱呼這些體積較小的天體，並且不再以行星命名，也不再將它們歸類為行星。2006年，國際天文學聯合會（IAU）對環繞太陽的天體又增加了矮行星的分類，原小行星分類中幾個質量較大個體，包括穀神星、妊神星、鳥神星和鬩神星被重新歸類為矮行星。矮行星是具有行星級質量，但既不是行星，也不是衛星的太陽系天體。也就是說，它是直接環繞太陽運行，並且自身的引力足以達成流體靜力平衡的形狀（通常是球體），但未能清除鄰近軌道上的其它小天體和物質，冥王星也是基於以上定義被劃分為矮行星。

1890年攝影技術進入到天文學領域，為天文學的發展提供了巨大的推動力。此前發現一顆小行星需要天文學家長時間記錄每顆可疑星的位置，比較它們與周圍星之間的位置變化。但是當曝光時間較長時，一顆相對於恆星運動的小行星會在攝影底片上拉出一條線，現代CCD成像依然如此，如圖1所示，這樣就可以很容易地確定小行星。而且隨著底片感光度的增強使得科學家可以發現肉眼看不見的小行星。攝影技術的引入使得人們發現的小行星數量和速度大大增加。20世紀90年代，CCD的應用和數字攝影技術的完善使得對小行星的觀測手段愈加成熟，在這短短的三十餘年間科學家發現小行星的數量呈爆炸式增長。

圖１　紫金山天文台拍攝的小行星2010ＧＡ６的圖像，曝光60秒後，可以明顯看到小行星圖像拉成一條直線

現代小天體觀測

對於地球上的觀測者來說，當小天體位於沖日附近（外行星）與合附近（內行星）的位置時，其反射的太陽光才容易被觀測到，小天體的亮度和視運動速度此時都比較大，非常有利於觀測。由於小天體不像人造衛星那樣可以主動給觀測台站發射觀測信號，因此小天體的觀測是一種被動的觀測，也稱作非合作目標觀測。

目前對小天體的觀測主要集中在光學波段和射電波段。光學觀測是測量小天體反射太陽光的被動測量手段，包括對目標光度，光譜的測量。而射電觀測的主要手段是利用地面的射電望遠鏡向目標發射射電信號，然後測量回波的時延和多普勒頻移從而實現對目標的測距和測速，這樣的觀測方式和雷達的工作原理是一樣的，通常稱作雷達觀測。雷達觀測需要提前了解目標的軌道從而給射電天線提供指向信息，而這又只能通過光學觀測實現。

小天體中心（Minor Planet Center，MPC）收集整理了幾乎全部關於小天體的觀測資料，並發布在其官方網站上（http://www.minorplanetcenter.net/）。MPC由哈佛大學天文台（HCO）的天文物理中心（CFA）轄下的史密松寧天文物理天文台（SAO）運營，在國際天文聯合會(IAU)的主持下，MPC也是全球唯一對小行星，彗星和大行星的不規則衛星的測量信息進行收集和發布的組織。MPC是小天體觀測網路的神經中心，負責所有目標的識別，命名和軌道計算，對每個已經發現的目標進行跟蹤，並向全球發布新發現的目標。截至2017年3月6日，MPC已經確認了729,740顆小天體，其中包括編號小行星483,390顆，未編號小行星242,391顆，彗星3959顆，近地小天體15,422顆。

光學測角是小天體最重要的觀測信息之一，得到小天體的赤經赤緯值可以計算目標的軌道信息，這是發現新目標的重要判據。眾所周知，太陽系中的天體主要在太陽的引力下運動，每個小天體的運行軌道都可以使用軌道根數描述，且具有唯一性。利用小天體的測角資料計算出其軌道，就可以確定所觀測的目標是否是未發現的小天體。因此小天體的定軌在其搜尋觀測中也扮演了很重要的角色。小天體軌道的計算方法可參閱文獻。

典型的小天體CCD圖像如圖2所示，光學測角時，在圖像中找出背景星中已知角位置（赤經赤緯值）的參考星，計算觀測的目標小天體和這些參考星在圖像中的相對距離即可計算得到小天體在天球上的角位置，從而可以計算目標的軌道信息。參考星一般都是距離地球非常遙遠的恆星，其在夜空中的位置變化非常緩慢，並且它們在天球上的位置早已被天文學家精確的測量出來了。

圖2 小行星 214088的 CCD 圖像，圖中箭頭標註的為目標星，兩幅圖的時間間隔為6 天。

小天體距離地球較近，在天球上的移動速度非常快，相應地每幅圖像中的參考星也需要不斷的變換，因此觀測小天體的望遠鏡都需要較大的觀測視場。由於觀測視場較大，在一組拍攝到的圖像中可以包含多個觀測目標，一般來說每個觀測目標平均觀測數的量級是10。

對小天體物理性質的研究，需要通過測光和光譜來實現。

對小天體測光得到小天體的光變曲線，可以分析出小天體的自轉周期，進而測定小天體的自轉軸指向和自身的形狀，尋找疑似的雙小行星系統等。通過多波段的測光還可以測定小天體的色指數，進而得到小天體的光譜型等參數。

科學家在觀測中發現，小行星在短時間內會發生明顯的亮度變化。由於在短時間內小行星與太陽、地球的相對位置變化可忽略不計，因此，其光度變化的主要原因是小行星自轉和不規則外形共同造成的。對小行星測光主要採取較差測光的方式，即測量目標小天體和參考星的相對亮度，參考星的絕對亮度是預先已經確定的。當太陽光照射到小天體上後，一部分會被小天體表面的物質吸收，這使得觀測到的小天體反射連續譜在某些波段上出現吸收凹陷，可以根據這些吸收線來推斷小天體表面的物質組分，這便是對小天體的光譜觀測。

此外，某些小行星的反射光譜顯示出和地球上的隕石光譜的相似性，這對揭示小行星和隕石的相互關係提供了重要線索。此外科學家根據小行星的光譜對其進行了光譜分類，可用於研究小行星族成員間的物理聯繫，計算小行星的星等和直徑等。對小天體的光譜觀測需要藉助光譜儀來實現，光譜儀可以將成分複雜的光分解為不同波長的光譜線，然後根據各個譜線的圖像進行相關的研究。

本文摘編自徐波，雷漢倫編著《探測小天體》第一章，內容有刪減。

探測小天體

徐波，雷漢倫編著

責任編輯：錢　俊　周　涵

北京：科學出版社 2018.01

ISBN 9787030557797

《探測小天體》首先介紹了小天體的觀測歷史，解釋了小天體的命名規則，闡述了小天體的分類規則，回答了小天體的起源與演化等問題，並介紹了小天體的物理化學性質和太陽系內知名小天體與矮行星；然後依照任務的完成階段，系統地介紹了小天體探測任務，並對人類歷史上大多數小天體探測任務進行了匯總；最後闡述了小天體對地球的潛在威脅，並給出了多種小天體防禦方案。