天文学家环球追踪“幸运之星”

掩星科学的兴起使天文学家能够以前所未有的方式研究太阳的小行星、行星和卫星

这是美国宇航局“新视野”号探测器在2019年1月1日飞掠柯伊伯带天体 2014 MU69 时拍摄的最佳可用图像。该天体的双瓣外观并非出乎意料:几年前,通过地面测量 MU69 掩蔽背景恒星,已经推测出它的轮廓。

迈克·克雷特洛(Mike Kretlow)精心计划并跋涉多日——从德国飞到纳米比亚,然后驱车进入南非,前往卡拉哈里沙漠——所有这些都是为了在偏远的地方短暂观测一次罕见的天体排列。乌云几乎让他此行泡汤,但幸运女神眷顾了他:在几乎没有时间的情况下,克雷特洛冲入了晴朗的天空,说服当地人允许他在他们的土地上架起望远镜,并看到一个名为夸欧尔(Quaoar)的小世界在太阳系边缘经过一颗恒星,使恒星的光线仅暗淡了两分钟。“在事件发生前几个小时,我找到了一个农场,天气也很好,”他说,“最后,在最后一刻成功了。”

克雷特洛是一位从计算机科学家转行而来的业余天文学家,也是全球越来越多参与研究恒星掩星的人之一。这些时刻是指我们太阳系中的天体,从小行星到彗星再到行星,掩蔽一颗背景恒星,从而在地球上的某些位置投下阴影。与日食或月食不同,这些较为微小的事件通常只能通过望远镜观察到,表现为一颗恒星短暂地消失在视野中。根据掩星天体的大小,掩星可以持续几秒到几分钟,但收集到的信息具有持久的价值。除了发送宇宙飞船进行直接探测外,没有其他技术可以如此精确地确定太阳系遥远区域小型天体的大小和形状。偶尔,追踪掩星的天文学家会发现真正的奇迹,例如 小行星卡里科洛(Chariklo)天王星 周围的环系统,以及矮行星冥王星的稀薄大气

掩星科学并非新鲜事物,该技术的应用可以追溯到 20 世纪 50 年代后期。但由于相机技术的进步、更便宜的消费级望远镜,以及最重要的是,欧洲航天局的星图绘制飞船盖亚(Gaia),它在过去几年中突然兴盛起来。盖亚于 2013 年发射,正忙于监测银河系中超过 10 亿颗恒星的位置和运动,为掩星科学创造了一个宝贵的数据宝库,将预测的事件数量从每年几十个增加到几百个。“我们正处于掩星科学的最佳时刻,”法国蔚蓝海岸天文台的保罗·坦加(Paolo Tanga)说,“人们正在意识到这一点。”


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所提供的科学内容是广泛的。掩星可以用来研究火星和木星之间的小行星,以及漂浮在海王星轨道之外的太阳系外围的柯伊伯带天体(KBO)。它们主要揭示已知天体的更精细细节,以如此精确的程度确定它们的大小、形状和亮度,观测者可能会发现冥王星之外的天体上的山脉和陨石坑的轮廓。但是,在盖亚数据的引导下,天文学家越来越多地利用掩星来发现新的天体,日本国家天文台的一个观测小组 在 1 月份宣布 对 2000 颗恒星进行了 60 小时的调查,发现了一个直径仅 1.3 公里的柯伊伯带天体——这是迄今为止发现的最小的柯伊伯带天体。

该领域通过国际掩星计时协会 (IOTA) 等组织,实现了专业和业余天文学家之间的出色合作,该协会拥有数百名成员。全球观测者网络对于捕捉掩星阴影至关重要,这些阴影会非常迅速地掠过数千到数万平方公里的地形。如果某个特定天体穿越一个恒星丰富的背景,它每年可能会出现多达三次掩星,如果其轨道将其置于银河系星罗棋布的银盘之外,则可能每世纪仅出现一次。“在盖亚之前,我们受到预测的限制,”巴黎天文台的布鲁诺·西卡迪(Bruno Sicardy)说,他负责欧洲研究委员会的“幸运之星”项目,以观察掩星,并借助包括克雷特洛在内的 200 多人的帮助。“现在我们受到人力的限制。有太多的[掩星]!”

该技术最引人注目的成功案例可以说发生在 2017 年,当时业余和专业天文学家共同提供了对 2014 MU69 的大小和形状的极其精确的测量,这是美国宇航局的“新视野”号探测器在 2019 年元旦飞掠的柯伊伯带天体。数十个望远镜监测了这些事件,包括 美国宇航局的 SOFIA 飞行天文台,这是一个安装在改装的波音 747 喷气式飞机上的 2.7 米望远镜。掩星本身只持续了两秒钟,但为“新视野”号未来几年的航程设定了方向——如果没有它,探测器将不会冒险如此近距离地飞掠 MU69,以免与任何未被发现的卫星、环或其他碎片相撞。“MU69 是 SOFIA 最具挑战性的飞行,”美国宇航局艾姆斯研究中心的天文学家金伯利·恩尼科·史密斯(Kimberly Ennico Smith)说,她此前曾担任 SOFIA 项目科学家。“为了获得测量值,我们需要在[阴影] 10 公里以内和目标点的一秒钟内飞到地球上的特定点。”

如今,该领域的发展速度比以往任何时候都快,令人兴奋的新功能也即将出现。例如,SETI 研究所的弗兰克·马尔基斯(Franck Marchis)帮助开发了一种 自动化望远镜,称为 eVscope,业余爱好者可以使用该望远镜,在收到警报时轻松观测掩星。像西卡迪和西南研究所的马克·布伊(Marc Buie)这样的天文学家,他们领导了“新视野”号的掩星活动,正在利用“公民科学家”的业余团队来解决有关太阳系挥之不去的谜团。例如,卡里科洛等天体周围的环是常态吗?大多数小型天体是孤立地绕太阳运行,还是作为双星的一部分运行?回答这些问题可能会让我们对 45 亿多年前我们的太阳系如何形成产生新的见解。“我对有多少天体是双星非常感兴趣,”布伊说,“在某个大小范围内,大约 100 到 150 公里大小,它们很可能都是双星。”

不幸的是,掩星的这个黎明黄金时代可能有一个有效期。在 20 年内,随着盖亚星表中的恒星继续在星系中穿行,它们已知位置的准确性将缓慢降低,从而降低它们预测天体阴影何时何地落下的效力。“最终,我们将回到盖亚之前的状态,然后我们将无法再进行这些类型的预测,”布伊说。然而,盖亚可能只是未来众多任务中的第一个,这些任务将绘制出银河系恒星的更广泛的地图。“已经有人在梦想盖亚 2 了,”坦加说。在那个时候到来之前,天文学家正在尽可能地利用盖亚的宝藏。

今年,天文学家已经确定了一些看起来特别有希望的掩星事件。3 月,小行星 433 爱神星(Eros)的掩星将在北美可见,10 月小行星 3200 法厄同星(Phaethon)的掩星也令人兴奋。至于克雷特洛,他正忙着准备他的下一次旅行,以观看夸欧尔的另一个阴影——这次是在 7 月的智利,而且再次不是为了个人利益,只是为了瞥见来自遥远幸运星的转瞬即逝的阴影所带来的纯粹的刺激感。

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