密度、強(qiáng)度、反照率等物理特性參數(shù)是評(píng)估近地小行星撞擊風(fēng)險(xiǎn)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(qiáng)度等特性參數(shù)一般僅能通過飛行器抵近探測(cè)獲取，迄今為止人類僅掌握極少數(shù)實(shí)施過飛行探測(cè)任務(wù)的近地小行星的該類物理特性參數(shù)。
近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)入大氣層的火流星觀測(cè)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(duì)2022EB5近地小行星的物理性質(zhì)進(jìn)行了約束，推斷其極有可能為一顆低密度、低強(qiáng)度、低反照率的碳質(zhì)小行星，發(fā)表在天文領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Astronomy & Astrophysics，為未來通過火流星觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取小行星密度、強(qiáng)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(shí)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(shí)后進(jìn)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(guó)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(shí)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(guó)宇航局和歐空局等通過進(jìn)入大氣層前的光學(xué)觀測(cè)資料確定了該小行星的軌道，利用小行星的平均反照率對(duì)小行星的尺寸進(jìn)行了估計(jì)，對(duì)該小行星其他物理性質(zhì)幾乎一無所知。
對(duì)于已知峰值亮度時(shí)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(shí)刻的速度視為進(jìn)入大氣時(shí)刻的速度，將峰值亮度時(shí)刻的動(dòng)壓視為其解體強(qiáng)度的最大值，從而根據(jù)估算的撞擊能量進(jìn)一步計(jì)算小行星的質(zhì)量和軌道，推測(cè)其材質(zhì)。對(duì)于有光學(xué)觀測(cè)信息的小行星，通常假設(shè)平均反照率，根據(jù)絕對(duì)星等、直徑、反照率間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，對(duì)小行星的尺寸進(jìn)行計(jì)算。然而，這種傳統(tǒng)的計(jì)算方式相當(dāng)于跳過了小行星進(jìn)入大氣過程的計(jì)算，忽略了大氣層對(duì)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(shí)際情況存在較大偏差。
然而，要對(duì)小行星的大氣進(jìn)入過程進(jìn)行建模，需要輸入小行星密度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jì)的未知量。如何在未知物理特性參數(shù)的條件下對(duì)小行星的大氣進(jìn)入過程進(jìn)行建模并且同步估計(jì)未知物理特性參數(shù)是其中的難題。
首先，他們將計(jì)算分四組進(jìn)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(yàn)參數(shù)在每組中假設(shè)小行星的密度、燒蝕熱為對(duì)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(shí)刻的半徑、半徑變化率、質(zhì)量，以及小行星的解體強(qiáng)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(jì)算小行星的尺寸、質(zhì)量、解體強(qiáng)度。最后，結(jié)合小行星各組是否有解、以及解體強(qiáng)度的范圍，對(duì)小行星的材質(zhì)進(jìn)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(qiáng)度對(duì)小行星類型進(jìn)行判斷。通常而言，彗星的強(qiáng)度<0.1MPa，M類小行星強(qiáng)度>10MPa，但C類與S類小行星的強(qiáng)度往往不能嚴(yán)格區(qū)分，需要其他輔助信息進(jìn)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(duì)此方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示，使用該方法計(jì)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(jì)算得到的的數(shù)值更符合觀測(cè)結(jié)果。
對(duì)于2022EB5小行星，使用傳統(tǒng)方法計(jì)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(qiáng)度約3.5MPa，若僅根據(jù)強(qiáng)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(jìn)行進(jìn)一步的約束，如表1所示。其中，Ryugu/Bennu組是日本和美國(guó)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(chǎng)景。
從表1計(jì)算得到的解體強(qiáng)度判斷，2022 EB5可能為C類或S類小行星。結(jié)合表1中計(jì)算得到的直徑范圍以及光學(xué)觀測(cè)到的絕對(duì)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(duì)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(cè)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(guó)宇航局和歐空局估計(jì)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步約束近地小行星的物理特性。未來可利用該方法對(duì)火流星數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，以獲取近地小行星物理特性的統(tǒng)計(jì)分布特征，對(duì)制定近地小行星預(yù)警與防御處置策略、評(píng)估近地小行星撞擊危害效應(yīng)具有參考價(jià)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(guó)際知名期刊《Astronomy & Astrophysics》。該研究得到了北京市重大科技專項(xiàng)、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
（供稿：系統(tǒng)室）
