文章來自「科學大院」公眾號
作者： 紫微
根據國際小行星中心（MPC）的預報，北京時間11月20日上午08時42分，一顆約12層樓高的近地小行星2020 VA1將在約440萬千米外飛掠地球，但不會對地球構成威脅。
不過，這並不是什麼「新」聞，在半個月前，中國科學院紫金山天文臺的近地天體望遠鏡就發現了這顆小行星。
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近地天體望遠鏡拍攝的2020 VA1（方框中目標）￨ 圖源：紫金山天文臺
科學家們是怎麼監視這些可能帶來威脅的不速之客的？今天，我們就來跟大家聊聊「小行星預報」。
01 近地小行星是啥？
在切入正題之前，先明確兩個名詞。
近地小行星（NEA）：指軌道與太陽最近距離（近日距）小於1.3天文單位（約2億千米）的小行星
潛在威脅小行星（PHA）：指與地球最小軌道交會距離小於0.05天文單位（約750萬千米），且直徑大於140米的近地小行星。
02 已經發現的近地小行星：超過2萬顆！
截至2020年11月15日，人類發現的近地小行星總數為24285，其中，直徑大於140米的9404顆，直徑大於1千米的890顆，潛在威脅小行星共計2136顆，另有近地彗星113顆。
國際上對近地小行星的搜索發現計劃主要有兩個階段：
1）1998年開始利用十年時間發現絕大多數直徑大於1千米的近地小行星；
2）2008年開始對絕大多數直徑大於140米的潛在危險小行星進行探測、跟蹤、分類和物理特性獲取。
目前，第一階段任務已經完成，超過95%直徑大於1千米的近地小行星已被發現。大批量的發現集中在1998-2012這十五年，主要貢獻來自LINEAR、NEAT和Catalina等巡天。
直徑大於1千米近地小行星的年度發現數量 ￨ 圖源：NASA
天文學家正在集中精力衝刺第二階段任務——直徑大於140米的近地小行星發現率超過90%（目前不足30%）。從2000年以來，每年對直徑大於140米的潛在威脅小行星發現數目一直維持在約300-500，並有持續緩慢增長的趨勢，貢獻主要來自LINEAR、Catalina和Pan-STARRS等的巡天接力。可以預見，在未來的10到20年裡，直徑在140米到1千米之間的近地小行星的發現仍將是主要任務。
直徑大於140米近地小行星的年度發現數量 ￨ 圖源：NASA
03 誰發現了近地小行星？
工欲善其事，必先利其器。具有強大巡天能力的光學望遠鏡是近地小行星發現與監測的關鍵。巡天速度和極限星等是近地小行星搜尋的關鍵指標，而視場和口徑便是分別與這兩個指標密切相關的望遠鏡參數。
其中，大視場是大批量發現的決定性因素，歷數在近地小行星搜尋領域卓有建樹的望遠鏡，它們均見長於巡天速度。建造中的魯賓天文臺（LSST）將成為最強有力的接力者。
表1：國際主要巡天望遠鏡關鍵指標對比（部分設備有升級，WFST和LSST在建）
從上表中可以看出，美國是國際上近地小行星觀測的絕對主力，美國近地小行星的發現量佔比超過已發現總數的98%，有規劃的巡天設備接力發展是他們致勝的根本。
04 這次發現的小行星什麼樣？
2020 VA1是紫金山天文臺近地天體望遠鏡於北京時間2020年11月6日20時57分03秒發現的，發現時亮度19.9等，視運動速度1.04度/天（相對於背景的恆星而言），正在接近地球。11月8日，國際小行星中心正式發布這一發現。
2020 VA1發現後，歐洲十多個小行星監測望遠鏡進行了後隨跟蹤觀測，紫金山天文臺也發起了我國西部地區星明天文臺的跟蹤觀測，並很快確定了2020 VA1的軌道參數：半長徑a為1.87 AU（AU為天文單位，1AU約為1.5億千米），偏心率e為0.48，近日距q為0.97 AU。這是一個典型的Apollo型近地小行星，直徑約為37米。
2020 VA1是紫金山天文臺近地天體望遠鏡今年發現的第5顆近地小行星。該望遠鏡從2006年運行至今共發現25顆近地小行星，佔我國（包括臺灣地區）近地小行星發現總數（31顆）的約80%。
2020 VA1（綠色）和大行星軌道圖（水星：白色；地球：藍色）￨ 圖源：紫金山天文臺
05 小行星的個頭是如何估算的？
經常聽新聞裡說「一個足球場大小的小行星正在接近地球」「一個卡車大小的小行星將於明晚飛掠地球」。這次的小行星約12層樓高。那麼，科學家是如何估計這些小行星的個頭的呢？
其實，目前我們知道確切大小和形狀的近地小行星數量非常有限。大多數小行星形狀不規則，我們通常所說的小行星的大小是指假設它為等效球形的直徑d（千米），這個值可以從假設幾何形狀且表面均勻小行星的幾何反照率Pv和其絕對星等H做出估計：
其中，小行星的絕對星等H是指假設把它放到距離太陽和地球均為1AU處，且相位角為0°時，呈現的視星等；小行星的幾何反照率Pv，即天體反射的太陽光輻射與照射到該天體的太陽光總輻射之比，在0-1之間，然而這通常是個未知量。
為便於估計近地小行星的大小，通常假設一個14%的幾何反照率。當然，如果知道小行星的光譜型，則可以利用光譜型與幾何反照率的經驗關係把幾何反照率定的稍精確些。
由此可見，通常光學觀測得到的近地小行星大小估計是很粗略的，給相關的統計也引入了誤差。不過，這些統計對監測年度發現是有用的。
06 近地小行星分幾類
近地小行星按其軌道特性主要分為四類，名字分別出自古希臘、古羅馬、古埃及和印第安神話。
阿波羅型（Apollos），約佔50%，得名於首顆發現的此類小行星1862號「阿波羅」（Apollo）——古希臘神話中的太陽神。
阿莫爾型（Amors），約佔42%，得名於首顆發現的此類小行星1221號「阿莫爾」（Amor）——古羅馬神話中的愛神。
阿登型（Atens），約佔8%，得名於首顆發現的此類小行星2062號「阿登」（Aten）——古埃及神話中的朝陽神。
阿提拉型（Atiras），僅發現30多顆，得名於首顆發現的此類小行星163693 號「阿提拉」（Atira）——美洲印第安波尼族神話中的大地與玉米女神。
近地小行星的四種主要軌道類型 ￨ 圖源：紫金山天文臺
07 近地小行星監測需要長期持續開展
其實近地小行星的發現只是其中的一環，同樣重要的是對它們的持續監測。近地小行星的軌道可能隨著大質量天體的引力攝動、雅科夫斯基非引力效應等影響而改變。這是一個長期的過程，數十年以上的、不間斷的監測近地小行星是可以獲得更多觀測弧段，將軌道測定得更加準確。所以，長期持續的監測不僅必要，而且非常必要，並希望能在儘可能短的時間內做到全天空覆蓋。通過全球布站，構建有效的地基監測預警網是當務之急。
近地小行星監測的關鍵在於提前發現那些可能對地球帶來威脅的目標，越早發現越好。近地小行星防禦的重點不在於去毀滅它們，而是試著改變它們的軌道。事實上，只需幾毫米/秒到幾釐米/秒的速度改變，經過幾年的累計作用即可讓本來可能撞個滿懷的近地小行星擦肩而過。因此，只要發現得足夠早，隨著技術的不斷發展，人類是有能力預防撞擊事件發生的。相關的防禦技術有很多，因不是本文討論的重點，恕不詳述，有興趣的讀者可以移步這裡（當小行星來襲，除了讓地球流浪，我們還能怎麼做？）。
08 任重道遠
紫金山天文臺是我國參與國際小行星預警網（IAWN）工作的主要力量，其位於盱眙觀測站的近地天體望遠鏡目前是我國貢獻共享數據的唯一主幹設備，一直在持續開展近地小行星監測預警工作。迄今已發現新小行星4625顆，其中近地小行星25顆，潛在威脅小行星5顆，同時，還保持每年對300多顆近地小行星的長期監測。我國在近地小行星發現數量上僅僅佔全球的約千分之一，與美國的差距顯著。
科學家們正在多渠道尋求機會，積極推動下一代近地天體觀測設備的建造和我國近地天體監測網絡構建，希望在不遠的將來，中國也能成為國際近地天體監測、預警、防禦和研究的主要力量。
參考資料：
[1] https://cneos.jpl.nasa.gov/stats/
科學審核：李彬、趙海斌
作者單位：中國科學院紫金山天文臺
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