□ 劉君達(dá)

淺談小行星光變觀測(cè)

□ 劉君達(dá)

1801年元旦，意大利的皮亞齊在眾多恒星中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)移動(dòng)的小小亮點(diǎn)。后來，這個(gè)亮點(diǎn)被命名為谷神星（目前，谷神星已被重新歸類為矮行星）。從那時(shí)開始，小行星，這些太陽系中的碎石塊們，就開始進(jìn)入人們的視野。小行星的研究始終都是天文學(xué)家們感興趣的話題之一。一方面，這對(duì)于研究太陽系的起源和演化都有著非常重要的價(jià)值；另一方面，由于部分近地小行星存在與地球碰撞的可能，所以研究小行星對(duì)于保護(hù)地球安全、維護(hù)人類生存也有著至關(guān)重要的意義。

隨著科技的發(fā)展，越來越多的專業(yè)小行星巡天項(xiàng)目投入使用（如CSS、Spacewatch、PanSTARRS等），為搜索對(duì)地球有潛在威脅的小行星而工作著。另外，還有多種手段幫助我們對(duì)小行星進(jìn)行物理性質(zhì)分析，如：測(cè)光、光譜、掩星、雷達(dá)等。將多種手段得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，可以得到目標(biāo)小行星較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，也可為小行星的空間探測(cè)提供前期數(shù)據(jù)支持。

在下文中，筆者將主要介紹如何利用測(cè)光方法來觀測(cè)小行星的光變。通過這種方法，可以得到小行星的自轉(zhuǎn)周期，進(jìn)而測(cè)定小行星的自轉(zhuǎn)軸指向和形狀，尋找可能的雙小行星等。通過多波段的測(cè)光還可以測(cè)定小行星的色指數(shù)，進(jìn)而得到小行星的光譜型等參數(shù)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，小行星在較短時(shí)間內(nèi)會(huì)有明顯的亮度變化。由于在短時(shí)間內(nèi)小行星與太陽、地球的位置變化可忽略不計(jì)，因此，其光變的主要成因是小行星自轉(zhuǎn)和形狀不規(guī)則共同造成的接受太陽光面積的變化。

截至目前，已有近70萬顆小行星被發(fā)現(xiàn)，其中獲得永久編號(hào)的超過40萬顆。但是僅有一萬多顆小行星擁有測(cè)光數(shù)據(jù)。因此，小行星的測(cè)光數(shù)據(jù)庫(kù)仍需要完善。

按照目前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于直徑大于200米的小行星而言，自轉(zhuǎn)周期幾乎都大于2.2小時(shí)的“自轉(zhuǎn)禁帶”，且主要在4~10小時(shí)之間。

超鏈接：自轉(zhuǎn)禁帶 (spin barrier）

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)小行星的密度要比巖石密度低，像是由于引力而結(jié)合的“碎石堆”。因此，當(dāng)自轉(zhuǎn)周期大于某一數(shù)值（自轉(zhuǎn)禁帶）時(shí)，小行星可能會(huì)解體。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)2.2小時(shí)為小行星的“自轉(zhuǎn)禁帶”，直徑大于200米的小行星自轉(zhuǎn)周期幾乎都大于這個(gè)數(shù)值。但是，對(duì)于部分更小的小行星，由于較為致密，自轉(zhuǎn)周期可達(dá)僅數(shù)分鐘。

器材準(zhǔn)備

1口徑100毫米以上，焦距500毫米以上的望遠(yuǎn)鏡，各種光學(xué)類型均可（如折射、反射、折反射等）。

2穩(wěn)定的赤道儀，需要具備電動(dòng)跟蹤功能，建議配備GOTO系統(tǒng)和導(dǎo)星系統(tǒng)。

3業(yè)余冷凍黑白CCD（如QHY9、STF-8300、QSI 690等），由于小行星會(huì)相對(duì)于背景恒星移動(dòng)，為保證在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)目標(biāo)不會(huì)移出視場(chǎng)，建議CCD配合望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)應(yīng)大于15角分×15角分，同時(shí)，拍攝時(shí)星點(diǎn)的FWHM以2個(gè)像素為宜。

4濾鏡系統(tǒng)（非必需）。對(duì)于普通愛好者來說，不加濾鏡觀測(cè)亦可。有一定觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)后，計(jì)劃深入該領(lǐng)域或是希望多臺(tái)站數(shù)據(jù)共享的愛好者，可以考慮配備UBVRI標(biāo)準(zhǔn)測(cè)光濾鏡（注意，不同于深空天體拍攝或行星攝影時(shí)使用的LRGB濾鏡！）Astrodon、Custom Scientific等廠商有提供。

5軟件：Maxim DL等控制CCD的拍攝軟件、星圖軟件等。

目標(biāo)選擇

首先，訪問位于小行星信息網(wǎng)的光變觀測(cè)候選目標(biāo)篩選頁(yè)面，如圖1（http://www.minorplanet.info/PHP/call_ OppLCDBQuery.php）

然后，選填如下篩選信息：

1觀測(cè)候選目標(biāo)的編號(hào)范圍。

2小行星的名稱?？刹恢付Q或指定某一顆特定的小行星。

3觀測(cè)年月。輸入計(jì)劃觀測(cè)的年份、月份。

4小行星的族群。可不指定或指定某個(gè)特定族群的小行星。

5是否指定“有利觀測(cè)條件”的目標(biāo)?！坝欣^測(cè)條件”指篩選出的小行星在觀測(cè)時(shí)處于1995~2050年中五個(gè)最亮的時(shí)期中的一個(gè)。

6是否是他人關(guān)注的目標(biāo)。在網(wǎng)站注冊(cè)后，可發(fā)布自己關(guān)注或計(jì)劃觀測(cè)的目標(biāo)。該選項(xiàng)中，可按照自己的喜好選擇他人正在關(guān)注的目標(biāo)、正在計(jì)劃觀測(cè)的目標(biāo)或避開他人關(guān)注與計(jì)劃觀測(cè)的目標(biāo)。

7周期準(zhǔn)確度情況。在小行星測(cè)光數(shù)據(jù)庫(kù)中，以數(shù)字表示目前光變（自轉(zhuǎn)）周期的準(zhǔn)確程度，分成無數(shù)據(jù)、0、1、2、3等情況。數(shù)字越大，則周期越準(zhǔn)確。這個(gè)選項(xiàng)中，可選擇暫無數(shù)據(jù)的目標(biāo)、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的目標(biāo)或是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的目標(biāo)。

8目標(biāo)星等范圍。參考器材情況選擇合適亮度范圍的目標(biāo)。由于對(duì)測(cè)光精度的要求較高，需要求目標(biāo)的信噪比（SNR）至少在40~50左右。因此，請(qǐng)根據(jù)實(shí)際的器材和觀測(cè)環(huán)境謹(jǐn)慎填寫！對(duì)于初次觀測(cè)且處于一般環(huán)境（天頂極限星等5等左右）的愛好者，建議選擇亮于15等的目標(biāo)，即輸入“0”、“15”。

9目標(biāo)的赤緯范圍。由于目標(biāo)需要較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，為了使目標(biāo)有較長(zhǎng)的可連續(xù)觀測(cè)時(shí)間，需根據(jù)觀測(cè)地地理緯度選擇赤緯較為合適的目標(biāo)。對(duì)于我國(guó)大部分地區(qū)而言，可填寫“0”、“90”即選擇赤緯范圍是0°~90°的目標(biāo)。

圖 1 目標(biāo)篩選頁(yè)面

在提交后，網(wǎng)站會(huì)自動(dòng)調(diào)取小行星測(cè)光數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容并返回符合條件的目標(biāo)列表，如圖2。

圖2　目標(biāo)列表

如圖，可見目標(biāo)的編號(hào)、名稱等信息。值得注意的是，“Period”列、“AmpMin”列及“U”列分別表示前人測(cè)定的自轉(zhuǎn)周期（以小時(shí)為單位）、最小光變幅度（以星等為單位）和周期的準(zhǔn)確程度（數(shù)字越大周期越準(zhǔn)確）。對(duì)于首次觀測(cè)的愛好者，建議選擇周期小于4小時(shí)、最小光變幅度大于0.15星等、準(zhǔn)確度大于2的目標(biāo)，以便在較短時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到較為明顯的光變。

觀測(cè)流程

1.觀測(cè)前的準(zhǔn)備

到達(dá)觀測(cè)地點(diǎn)后，將設(shè)備調(diào)試正常，連接CCD與拍攝軟件，打開CCD的制冷功能，設(shè)定制冷溫度，并使CCD達(dá)到恒溫狀態(tài)。利用極軸鏡或漂移法校準(zhǔn)極軸。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡焦距使成像清晰。

2. 目標(biāo)拍攝

1參考星圖軟件，獲取目標(biāo)星的坐標(biāo)并將其置于視場(chǎng)中心附近。

2為了保證測(cè)光精度，需在目標(biāo)高度角大于30°時(shí)方可拍攝。

3選擇合適的單張曝光時(shí)間，使目標(biāo)星的SNR至少優(yōu)于40，且不會(huì)由于目標(biāo)相對(duì)于背景恒星的移動(dòng)而脫線。

4設(shè)置連續(xù)拍攝的張數(shù)。拍攝的總時(shí)間需盡可能長(zhǎng)，最好能長(zhǎng)于整個(gè)光變周期。

5在觀測(cè)中，需隨時(shí)留意儀器運(yùn)行狀況和天氣情況，并隨時(shí)記錄并調(diào)整儀器。

3. 校正場(chǎng)的拍攝

為了獲得盡可能準(zhǔn)確的測(cè)光數(shù)據(jù)，需使用暗場(chǎng)、平場(chǎng)、本底對(duì)拍攝的原始圖像進(jìn)行改正以盡可能減小數(shù)據(jù)的誤差。校正場(chǎng)的拍攝需在CCD的溫度與拍攝目標(biāo)圖像時(shí)相同，并保持恒溫時(shí)進(jìn)行。

1暗場(chǎng)

即使在無光照的條件下CCD材料的熱電子也會(huì)產(chǎn)生電荷，需以扣暗場(chǎng)的方式去除。具體拍攝方法是關(guān)閉鏡頭蓋，設(shè)置與目標(biāo)原始圖像相同的曝光時(shí)間。拍攝10~20張。

2平場(chǎng)

拍攝平場(chǎng)是為了減少儀器光學(xué)系統(tǒng)不完美、CCD各像元感光性能的微小差異和CCD上的灰塵等問題對(duì)原始圖像造成的影響。平場(chǎng)的具體拍攝方法是在日落后或日出前的短暫時(shí)間內(nèi)將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天頂附近，拍攝10張平場(chǎng)，每張平場(chǎng)圖像的曝光時(shí)間需針對(duì)天光情況進(jìn)行調(diào)整，一般在3~50秒之間，ADU計(jì)數(shù)在滿井計(jì)數(shù)的1/3~1/2左右。每拍攝一張，應(yīng)略微移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡的位置以在后期合并平場(chǎng)圖像時(shí)避免亮星的影響。

3本底

本底是指CCD每個(gè)像素記錄的光電荷數(shù)的底值。拍攝方法是進(jìn)行零秒曝光，拍攝一組50張。

數(shù)據(jù)處理

可使用MaxIm DL、MPO Canopus、Mira Pro等軟件對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理和分析，需經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和較差測(cè)光兩個(gè)步驟。目前，筆者采用的是MPO Canopus軟件，考慮到目前使用MaxIm DL軟件的同好較多，以MaxIm DL為例進(jìn)行說明。

1. 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理即將原始圖像減平場(chǎng)、減本底、除平場(chǎng)的過程。具體步驟如下：

1打開MaxIm DL 5軟件，選擇Process菜單中的Set Calibration選項(xiàng)，選擇事先拍攝的暗場(chǎng)、平場(chǎng)、本底圖像，如圖3。

圖3　Set Calibration

2打開目標(biāo)原始圖像。若數(shù)量太多可分批打開。點(diǎn)擊Process菜單中的Calibrate All，軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。

背景知識(shí)

小行星中心：

國(guó)際小行星中心（The Minor Planet Center，簡(jiǎn)稱MPC），是一個(gè)隸屬于國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)的組織。掛靠在哈佛大學(xué)與史密松學(xué)會(huì)聯(lián)合建立的哈佛-史密松天體物理中心（Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics，簡(jiǎn)稱CfA）。其主要工作是收集小行星及彗星的觀測(cè)數(shù)據(jù)、計(jì)算并發(fā)布小行星與彗星的軌道、發(fā)布小行星和彗星的編號(hào)或名稱。

小行星公報(bào)：

小行星公報(bào)（The Minor Planet Bulletin,簡(jiǎn)稱MPBu），是美國(guó)月球與行星觀測(cè)者協(xié)會(huì)（Association of Lunar and Planetary Observers，ALPO）小行星分部出版的一本公開刊物。雜志的內(nèi)容包括有關(guān)小行星的理論、觀測(cè)和歷史信息的研究等，發(fā)表的文章以業(yè)余愛好者研究成果為主，專業(yè)人員的研究為輔。目前，雜志中大多數(shù)文章均為小行星光變曲線方面的成果。自1994年至今的雜志可在http://www.minorplanet.info/ mpbdownloads.html上下載。

2. 較差測(cè)光

較差測(cè)光，顧名思義，就是通過對(duì)比目標(biāo)星和已知亮度的比較星的方法得到目標(biāo)星亮度。如圖4。在MaxIm DL中的運(yùn)行方法如下：

1選擇測(cè)光孔徑。右鍵，設(shè)置Aperture Radius、Set Gap Width、Set Annulus Thickness。使中間小圓的半徑略大于星點(diǎn)半徑，外側(cè)兩圓組成的圓環(huán)內(nèi)不能有星點(diǎn)，因?yàn)閳A環(huán)的作用是測(cè)量背景天光的。

2選擇Analyse菜單內(nèi)的Photometry。

3點(diǎn)擊Photometry窗體內(nèi)的“Mouse click as”，選擇New Moving Object，并在第一張圖的目標(biāo)小行星上點(diǎn)擊。

4切換到最后一張圖，點(diǎn)擊“Mouse click as”，選擇Mov1，并在目標(biāo)小行星上點(diǎn)擊，軟件會(huì)自動(dòng)將所有圖片上的目標(biāo)小行星標(biāo)記為“Mov1”。

5選擇比較星。點(diǎn)擊“Mouse click as”，選擇New Reference Star，在圖片上選擇一顆亮度與目標(biāo)小行星接近，且類型與太陽類似的恒星，可參考星表選擇合適的比較星，并在Ref Mag中輸入該比較星的星等?？蛇x擇1~3顆比較星，多選幾顆比較星可使測(cè)光結(jié)果更為準(zhǔn)確。

6選擇驗(yàn)證星。點(diǎn)擊“Mouse click as”，選擇New Check Star，選擇一顆亮星。

7以上操作全部完畢后，點(diǎn)擊Photometry窗體內(nèi)的“View Plot”。光變曲線便會(huì)顯示，如圖5。點(diǎn)擊Save data可保存測(cè)光文件。

圖4　較差測(cè)光示意圖

圖5　光變曲線示例

圖6　小行星2019的自轉(zhuǎn)周期

以上就是完整的一次簡(jiǎn)單的小行星光變觀測(cè)流程。

當(dāng)獲得覆蓋足夠長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)光數(shù)據(jù)后，可使用MPO Canopus將數(shù)據(jù)整合，并通過軟件中Alan Harris編寫的周期算法，測(cè)定小行星的光變周期（通過簡(jiǎn)單的修正，即可得到小行星的自轉(zhuǎn)周期），圖6是筆者測(cè)定的小行星2019的自轉(zhuǎn)周期。

目前，筆者在江蘇省蘇州市的郊區(qū)建立了一個(gè)簡(jiǎn)易的遠(yuǎn)程天文臺(tái)，在課余時(shí)間進(jìn)行小行星搜索和測(cè)光的工作。目前發(fā)現(xiàn)了16顆小行星，獲取了數(shù)顆小行星的測(cè)光數(shù)據(jù)并在Minor Planet Bulletin上發(fā)表了有關(guān)結(jié)果。詳情可瀏覽www.lyobs. com。交流有關(guān)問題或是進(jìn)行多站合作觀測(cè)的同好，歡迎和筆者聯(lián)系。郵箱：824841086jdl@gmail.com、QQ:824841086。

小行星測(cè)光數(shù)據(jù)庫(kù)：

小行星測(cè)光數(shù)據(jù)庫(kù)（Lightcurve Database，LCDB），記錄了小行星的自轉(zhuǎn)周期、光譜型、反照率、自轉(zhuǎn)軸指向、形狀等數(shù)據(jù)，目前記錄了一萬余顆小行星的數(shù)據(jù)。

小行星信息網(wǎng)（www.minorplanet.info）：

資深業(yè)余天文學(xué)家Brain D. Warner主辦的一個(gè)有關(guān)小行星的網(wǎng)站，站內(nèi)有關(guān)于小行星各方面的鏈接、教程等，內(nèi)容較為全面。

MPO Canopus：

一個(gè)專門用于小行星測(cè)光的軟件，可進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、較差測(cè)光、生成光變曲線、計(jì)算自轉(zhuǎn)周期等，功能全面。小行星公報(bào)上的相關(guān)成果多由該軟件得出，在該方向興趣較為濃厚的同好可考慮購(gòu)買，價(jià)格為65美元，鏈接如下：http://bdwpublishing.com/mpocanopusv10.aspx。

小行星搜索：

不少業(yè)余愛好者執(zhí)著于新小行星的搜索，它的原理是閃動(dòng)間隔一段時(shí)間拍攝的3~4張同一天區(qū)的圖片，利用肉眼或計(jì)算機(jī)尋找其中相對(duì)背景恒星大致沿一條直線運(yùn)動(dòng)的亮點(diǎn)，并發(fā)送至數(shù)據(jù)庫(kù)與已知目標(biāo)的位置進(jìn)行比對(duì)。雖然目前各大巡天系統(tǒng)“橫行”，然而不少愛好者仍有著相當(dāng)出色的成績(jī)。例如“華人小行星大王”楊光宇，以1998個(gè)永久編號(hào)，高居小行星發(fā)現(xiàn)排行榜第12位，這個(gè)數(shù)字甚至超過了不少專業(yè)臺(tái)站。我國(guó)業(yè)余天文臺(tái)“星明天文臺(tái)”也獲得了80余顆小行星的臨時(shí)編號(hào)。