NASA的下一代小行星撞击监测系统“哨兵-II”投入使用

迄今为止，近地小行星(NEA)已经被不断扫描夜空的巡天望远镜发现了近28000个并以每年约3000个的速度增加。但随着更大、更先进的巡天望远镜在未来几年内搜索力度的加大，预计发现的小行星将得到迅速的增加。

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为了应对这种增长，NASA天文学家们已经开发了一种名为“哨兵-II(Sentry-II)”的下一代撞击监测算法，从而更好地评估NEA撞击概率。

流行文化通常将小行星描述为混乱的天体，它们在我们的太阳系周围胡乱地放大、不可预测地改变路线并在不经意间威胁我们所生活的星球。然而这并不是现实。实际上，小行星是极其可预测的天体，它们遵守物理学定律并遵循可知的绕太阳轨道。

但有时，这些路径可能非常接近地球的未来位置，由于小行星位置的微小不确定性，不能完全排除未来的地球撞击。因此，天文学家需要使用复杂的撞击监测软件来自动计算撞击风险。

由位于南加州的NASA喷气推进实验室管理(JPL)的近地天体研究中心(CNEOS)会计算每一个已知近地天体轨道以此来改善撞击危险评估，进而为NASA行星防御协调办公室(PDCO)的工作提供支持。据悉，CNEOS已经用JPL在2002年开发的名为 “哨兵(Sentry)”的软件监测了NEA所带来的撞击风险。

Javier Roa Vicens表示：“第一版‘哨兵’是一个非常有能力的系统，已经运行了近20年，。它是基于一些非常聪明的数学（打造）。在一个小时内，你可以可靠地得到一个新发现的小行星在未来100年内的撞击概率--这是一个不可思议的壮举。”据悉，Vicens在JPL担任导航工程师时领导了“哨兵-II”的开发工作，最近他的阵地转移到了SpaceX。

但有了“哨兵-II”，NASA有了一个可以迅速计算出所有已知NEA的撞击概率的工具，其中包括原始哨兵系统没有捕捉到的一些特殊情况。“哨兵-II”在CNEOS“哨兵”表中报告风险最大的天体。

通过以这种新方式系统地计算撞击概率，研究人员使撞击监测系统变得更加强大、使NASA能够自信地评估所有潜在的撞击--其几率低至1000万分之几。

特殊案例

当一颗小行星在太阳系中旅行时，太阳的引力决定了它的轨道路径，而行星的引力也会以可预测的方式拉扯它的轨迹。“哨兵”系统对这些引力如何塑造小行星的轨道进行了高精度的建模以帮助预测其在未来很长时间内的位置。但它无法解释非引力，最重要的是由太阳的热量引起的热力。

随着小行星的旋转，太阳光会加热天体的日面。被加热的表面随后会旋转到小行星的阴暗面并冷却下来。红外线能量在冷却时被释放出来，在小行星上产生一个微小但持续的推力。这种现象被称为雅尔科夫斯基效应(Yarkovsky Effect)，它在短期内对小行星的运动影响不大，但在几十年和几个世纪内可以大大改变其路径。

JPL导航工程师Davide Farnocchia指出：“‘哨兵’无法自动处理雅尔科夫斯基效应则成为了它的一个限制。每当我们遇到一个特殊情况--如小行星Apophis、Bennu或1950DA--我们不得不做复杂而耗时的人工分析。有了‘哨兵-II’，我们就不必再这么做了。”据悉，Farnocchia也曾帮助开发过“哨兵-II”。

最初的“哨兵”算法面临的另一个问题是，它有时无法准确预测跟地球发生极度近距离接触的小行星的撞击概率。这些NEA的运动会被我们星球的引力大幅偏移，而遭遇后的轨道不确定性会急剧增加。在这些情况下，旧版“哨兵”的计算可能失败，这时候就需要人工干预。而“哨兵-II”没有这种限制。

“就数字而言，我们会发现的特殊情况是我们计算撞击概率的所有NEA中非常小的一部分，但当NASA计划中的近地天体探测器任务和智利的Vera C. Rubin天文台上线后，我们将发现更多这样的特殊情况，所以我们需要做好准备，”Roa Vicens说道。

许多针头，一个干草堆

这就是撞击概率的计算方法。当望远镜跟踪一个新NEA时，天文学家会测量小行星在天空中的观测位置并将其报告给小行星中心。然后，CNEOS使用这些数据来确定小行星最可能围绕太阳的轨道。但由于小行星的观测位置存在轻微的不确定性，所以它的最可能的轨道可能不代表它的真实轨道。真正的轨道是在一个不确定的区域内的某个地方，就像围绕着最可能的轨道的一团可能性。

为了评估是否有可能发生撞击并缩小真实轨道的范围，最初的“哨兵”将对不确定区域的演变方式做出一些假设。然后，它将沿着横跨不确定区域的一条线选择一组均匀分布的点。每一个点都代表着小行星的一个略微不同的可能的当前位置。

然后“哨兵”将把时钟向前拉以观察这些绕着太阳运行的虚拟小行星是否有可能在未来靠近地球。如果是这样就需要进一步的计算来进行“放大”处理，进而看看是否有任何中间点可能会撞击地球，如果有就要估计撞击的概率。

“哨兵-II”有一个不同的理念。新算法对数千个随机点进行建模，不受任何关于不确定区域如何演变的假设限制；相反，它在整个不确定区域选择随机点。然后，“哨兵-II”的算法会问：“在不确定区域内有哪些可能的轨道？在整个不确定区域内有哪些可能的轨道可以撞击地球？”

这样一来，轨道确定的计算就不会被预先确定的假设所左右，即不确定区域的哪些部分可能会导致可能的撞击。这使得“哨兵-II”能够锁定更多概率极低的撞击情况。

Farnocchia把这个过程比作在干草堆中寻找针头。针是可能的撞击情况，而草堆是不确定的区域。小行星位置的不确定性越大，干草堆就越大。“哨兵”将随机地在干草堆上拨动数千次以寻找位于延伸到干草堆中的一条线附近的针头。当时的假设是，沿着这条线是搜索针头的最佳方式。但“哨兵-II”没有假设任何线，而是在干草堆中随机抛出数千块小磁铁，这些磁铁迅速被吸引，然后找到附近的针头。

“哨兵-II在寻找巨大范围内的微小撞击概率方面是一个了不起的进步，”JPL高级研究科学家Steve Chesley说道，“当未来小行星撞击的后果如此之大时，找到隐藏在数据中的哪怕是最小的撞击风险也是值得的。”。Chesley领导了哨兵系统的开发并参与了哨兵-II的合作。

一项描述哨兵-II的研究已于2021年12月1日发表在《Astronomical Journal》上。

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