美国宇航局下一代小行星撞击监测系统上线

新系统提升能力 美国宇航局 喷气推进实验室近地天体研究中心评估可能接近我们星球的小行星的影响。

迄今为止，大约有 28,000 颗近地小行星 (NEA) 已被发现 通过扫描望远镜不断扫描夜空，以每年约3000个的速度增加新的发现。 但随着更大、更先进的扫描望远镜在未来几年进行搜索，预计发现量将迅速增加。 考虑到这一激增，美国宇航局天文学家开发了一种名为 Sentry-II 的下一代撞击监测算法，以更好地评估 NEA 撞击的几率。

流行文化经常将小行星描绘成混乱的天体，它们在我们的太阳系周围随机游荡，意外地改变航向并在没有警告的情况下威胁我们的星球。 这不是现实。 小行星是高度可预测的天体，它们遵循物理定律并遵循已知的绕太阳轨道运行。

但有时这些路径会非常接近地球未来的位置，由于小行星位置的不确定性很小，不能完全排除未来地球的影响。 因此，天文学家使用复杂的撞击监测软件来自动计算撞击风险。

它由位于南加州的 NASA 喷气推进实验室和近地天体研究中心 (CNEOS) 运营。红花（计算每个已知的 NEA 轨道以改进影响风险评估，以支持 NASA 的行星防御协调办公室）PDCO）。 CNEOS 使用 JPL 于 2002 年开发的名为 Sentry 的程序监控 NEA 带来的影响风险。

Javier Roa Vicens 说，他在 JPL 担任导航工程师期间领导了 Sentry-II 的开发，最近搬到了 太空探索技术公司. “它基于一些非常聪明的数学计算：在不到一个小时的时间内，您可以可靠地获得未来 100 年内新发现的小行星撞击的概率——这是一项了不起的壮举。”

但是有了 Sentry-II，NASA 有了一个工具，可以快速计算所有已知 NEA 的撞击概率，包括原始 Sentry 没有捕获的一些特殊情况。 Sentry-II 报告 CNEOS 中最危险的事情 警卫桌.

通过使用这种新方法系统地计算撞击概率，研究人员使撞击监测系统更加强大，使 NASA 能够自信地评估所有潜在撞击的概率低至 1000 万分之一。

特别案例

当小行星穿过太阳系时，太阳的引力决定了它的轨道路径，而行星的引力将以可预测的方式拉动它的路径。 Sentinel 以高精度模拟了这些引力如何塑造小行星的轨道，帮助预测它的遥远未来。 但它无法计算重力以外的力，其中最重要的是由太阳热量引起的热力。

当小行星绕轨道运行时，阳光会加热身体的白天。 热的表面然后旋转到小行星阴影的夜晚一侧并冷却。 红外能量在冷却时释放出来，在小行星上产生一个小而持续的推力。 这种现象被称为雅可夫斯基效应，它在短时间内对小行星的运动几乎没有影响，但可以在几十年和几个世纪内彻底改变其路线。

该视频解释了小行星 Bennu 围绕太阳的轨道是如何通过观察引力和非引力来确定的，帮助科学家了解小行星的路径将如何随时间变化。 图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

“Sentry 无法自动处理 Yarkovsky 效应的事实是一个限制，”JPL 的导航工程师 Davide Farnocchia 说，他也帮助开发了 Sentry-II。 “每次我们遇到特殊情况时——比如小行星 Apophis、Bennu 或 公元 1950 年 – 我们必须执行复杂且耗时的手动分析。 有了 Sentry-II，我们就不必再这样做了。”

使用 NASA 的深空网络和现代计算机模型，科学家们已经能够大幅降低 Bennu 轨道的不确定性，确定其在 2300 年总撞击的概率约为 1750 年的 1 分之一（或 0.057%）。 研究人员还能够将 2182 年 9 月 24 日确定为潜在影响方面最重要的日期，其影响概率为 2700 分之一（或约 0.037%）。 图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

原始哨兵算法的另一个问题是它有时无法准确预测与地球非常接近的小行星撞击的概率。 这些近地区域的运动受到地球引力的明显影响，巧合后轨道的不确定性会呈指数级增长。 在这些情况下，旧的 Sentry 帐户可能会失败，需要手动干预。 Sentry-II 没有这个限制。

“就数字而言，我们发现的特殊情况是我们计算影响概率的所有 NEA 中的一小部分，”Roa Vicens 说。 “但是当美国宇航局和智利维拉·C·鲁宾天文台计划的近地天体调查任务被调用时，我们会发现更多这些特殊情况，所以我们需要做好准备。”

多针一草

这就是撞击概率的计算方式：当望远镜跟踪一个新的 NEA 时，天文学家会测量小行星在天空中的观测位置，并将它们报告给小行星的中心。 CNEOS 然后使用这些数据来确定小行星可能围绕太阳运行的轨道。 但由于观测到的小行星的位置存在一些不确定性，它的“可能轨道”可能并不代表它的真实轨道。 真正的轨道位于不确定区域内的某个地方，就像围绕最可能轨道的一团可能性。

为了评估这种影响是否可能并缩小真实轨道的位置，原始哨兵可能会对不确定区域将如何发展做出一些假设。 然后他沿着一条延伸到不确定区域的线选择一组均匀间隔的点。 每个点代表小行星的不同可能当前位置。

然后哨兵把时钟调快，观察那些围绕太阳运行的“虚拟小行星”，看看它们中是否有任何一个在未来接近地球。 如果是这样，则需要进一步计算以“放大”以查看是否有任何中间点可能影响了地球，如果是，则估计影响的可能性。

此动画展示了近地小行星轨道的不确定性如何随时间发展的示例。 这样的小行星与地球近距离接触后，不确定性区域变大，使得未来撞击的可能性更加难以评估。 图片来源：NASA/JPL-加州理工学院

Sentry-II 有着不同的理念。 新算法设计了数千个随机点，不受任何关于不确定区域将如何演变的假设的约束； 相反，它在整个不确定区域中选择随机点。 然后 Sentry-II 算法会问：其中可能的轨道是什么？ 全部的 能落地的不确定区域？

通过这种方式，轨道确定计算不受关于会导致潜在影响的不确定区部分的预定假设的影响。 这使 Sentry-II 能够专注于极低概率的影响场景，而 Sentry 可能错过了这些场景。

Farnocchia 将这个过程比作大海捞针：针头是潜在的影响场景，大海捞针是不确定的区域。 小行星位置的不确定性越大，大海捞针就越大。 守门员随机敲打干草堆数千次，寻找位于穿过干草堆的一条线附近的针。 假设是遵循这条路线是找到针头的最佳方式。 但是 Sentry-II 假设没有连续发生，而是将数千个小磁铁随机扔到干草堆上，这些磁铁很快被附近的针吸引，然后找到它们。

JPL 高级研究员史蒂夫·切斯利 (Steve Chesley) 说：“Sentry-II 在寻找各种场景的小撞击概率方面是一个了不起的进步，”他领导了 Sentry-II 的开发并与他合作开发了 Sentry-II。 “当未来小行星碰撞的后果非常大时，找到隐藏在数据中的最小碰撞风险很有用。”

一项描述 Sentry-II 的研究已发表在 天文杂志 2021 年 12 月 1 日。

参考：“一种观察小行星撞击的新方法”，作者：Javier Roa、Davide Varnocchia 和 Stephen R. Chesley，2021 年 12 月 1 日可在此处获得。 天文杂志.
DOI：10.3847 / 1538-3881 / ac193f