密度、強度、反照率等物理特性參數(shù)是評估近地小行星撞擊風(fēng)險與危害、制定小行星防御處置策略的基本依據(jù)，但小行星密度、強度等特性參數(shù)一般僅能通過飛行器抵近探測獲取，迄今為止人類僅掌握極少數(shù)實施過飛行探測任務(wù)的近地小行星的該類物理特性參數(shù)。
近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點實驗室小行星防御課題組耿淑娟博士生、周炳紅研究員和李明濤研究員提出了一種利用小行星進入大氣層的火流星觀測數(shù)據(jù)約束其物理性質(zhì)和軌道的方法，并利用該方法對2022EB5近地小行星的物理性質(zhì)進行了約束，推斷其極有可能為一顆低密度、低強度、低反照率的碳質(zhì)小行星，發(fā)表在天文領(lǐng)域國際知名期刊Astronomy & Astrophysics，為未來通過火流星觀測數(shù)據(jù)獲取小行星密度、強度、反照率等物理特性的分布特征提供了一種新途徑。
小行星2022EB5，是人類第5顆提前預(yù)警到撞擊地球的近地小行星，于格林尼治時間2022年3月11日由匈牙利天文學(xué)家Krisztián Sárneczky首次發(fā)現(xiàn)，并在約兩小時后進入地球大氣層，于挪威海上空發(fā)生解體。NASA近地小天體研究中心（CNEOS）利用美國衛(wèi)星傳感器網(wǎng)絡(luò)（USGS）記錄下了該小行星在地球大氣內(nèi)飛行過程的光變曲線及峰值亮度時刻的速度、位置，并根據(jù)光能推斷出該小行星的撞擊能量，約4千噸TNT。美國宇航局和歐空局等通過進入大氣層前的光學(xué)觀測資料確定了該小行星的軌道，利用小行星的平均反照率對小行星的尺寸進行了估計，對該小行星其他物理性質(zhì)幾乎一無所知。
對于已知峰值亮度時刻狀態(tài)矢量的小行星，傳統(tǒng)的推斷物理性質(zhì)的方法是將其峰值亮度時刻的速度視為進入大氣時刻的速度，將峰值亮度時刻的動壓視為其解體強度的最大值，從而根據(jù)估算的撞擊能量進一步計算小行星的質(zhì)量和軌道，推測其材質(zhì)。對于有光學(xué)觀測信息的小行星，通常假設(shè)平均反照率，根據(jù)絕對星等、直徑、反照率間的經(jīng)驗關(guān)系，對小行星的尺寸進行計算。然而，這種傳統(tǒng)的計算方式相當(dāng)于跳過了小行星進入大氣過程的計算，忽略了大氣層對小行星軌跡的影響。而且，通過平均反照率估算的小行星尺寸也往往與實際情況存在較大偏差。
然而，要對小行星的大氣進入過程進行建模，需要輸入小行星密度、結(jié)構(gòu)強度、燒蝕熱等物理特性參數(shù)。但這些物理特性參數(shù)則恰恰是我們要估計的未知量。如何在未知物理特性參數(shù)的條件下對小行星的大氣進入過程進行建模并且同步估計未知物理特性參數(shù)是其中的難題。
首先，他們將計算分四組進行，分別假設(shè)小行星為C類、S類、M類以及彗星，并根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)在每組中假設(shè)小行星的密度、燒蝕熱為對應(yīng)材質(zhì)類型的經(jīng)典值。其次，將其他未知的物理量視為待優(yōu)化變量，主要包括小行星峰值亮度時刻的半徑、半徑變化率、質(zhì)量，以及小行星的解體強度。以煎餅?zāi)Ｐ偷慕怏w條件作為優(yōu)化的約束條件，以此計算小行星的尺寸、質(zhì)量、解體強度。最后，結(jié)合小行星各組是否有解、以及解體強度的范圍，對小行星的材質(zhì)進行初步判斷。如，若僅有S類的組別有解，則該小行星為S類小行星；若兩組以上有解，則根據(jù)強度對小行星類型進行判斷。通常而言，彗星的強度<0.1MPa，M類小行星強度>10MPa，但C類與S類小行星的強度往往不能嚴(yán)格區(qū)分，需要其他輔助信息進一步約束。
空間中心小行星防御課題組利用Chelyabinsk流星體、Kosice流星體對此方法進行了驗證，結(jié)果顯示，使用該方法計算得到的小行星物理性質(zhì)以及軌道根數(shù)，均較傳統(tǒng)方法計算得到的的數(shù)值更符合觀測結(jié)果。
對于2022EB5小行星，使用傳統(tǒng)方法計算，其反照率將被假設(shè)為0.147，得到的小行星直徑約1.6米；其解體強度約3.5MPa，若僅根據(jù)強度推斷，2022 EB5很可能被確定為S類小行星。而利用小行星防御課題組提出的新方法，則能夠?qū)?022EB5的物理性質(zhì)進行進一步的約束，如表1所示。其中，Ryugu/Bennu組是日本和美國小行星取樣返回任務(wù)的目標(biāo)小行星，密度約為1200kg/m3，用于模擬低密度C類小行星的撞擊場景。
從表1計算得到的解體強度判斷，2022 EB5可能為C類或S類小行星。結(jié)合表1中計算得到的直徑范圍以及光學(xué)觀測到的絕對星等可推斷，其反照率范圍約為0.011-0.025，更加接近C類小行星的反照率范圍。
圖1還對比了C、S、Ryugu/Bennu三組的能量沉積曲線與光變曲線轉(zhuǎn)換而來的能量沉積曲線，發(fā)現(xiàn)Ryugu/Bennu組與觀測組最為接近。綜合分析，2022 EB5極有可能為一顆低密度、低反照率、直徑約5-6米的C類小行星。而此前美國宇航局和歐空局估計該小行星尺寸不足2米。
圖1 2022 EB5能量沉積曲線
空間中心小行星防御課題組提出的將解體模型與優(yōu)化算法相結(jié)合的方法，能夠基于大氣層中的火流星觀測數(shù)據(jù)進一步約束近地小行星的物理特性。未來可利用該方法對火流星數(shù)據(jù)集進行分析，以獲取近地小行星物理特性的統(tǒng)計分布特征，對制定近地小行星預(yù)警與防御處置策略、評估近地小行星撞擊危害效應(yīng)具有參考價值。
該研究成果以“Near-Earth object 2022 EB5: From atmospheric entry to physical properties and orbit”為題，于2023年2月1日正式發(fā)表在天文領(lǐng)域國際知名期刊《Astronomy & Astrophysics》。該研究得到了北京市重大科技專項、科工局近地小行星相關(guān)課題、空間中心新興技術(shù)方向等課題的資助。
參考文獻(xiàn)：Near-Earth object 2022 EB5: From atmospheric entry to physical properties and orbit, S. Geng, B. Zhou and M. Li, A&A, 670 (2023) A27
論文鏈接：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202244084
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