科研人员提出利用火流星观测数据约束近地小行星物理特性的方法

　　密度、强度、反照率等物理特性参数是评估近地小行星撞击风险与危害、制定小行星防御处置策略的基本依据，但小行星密度、强度等特性参数一般仅能通过飞行器抵近探测获取，迄今为止人类仅掌握极少数实施过飞行探测任务的近地小行星的该类物理特性参数。

　　近日，中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室小行星防御课题组耿淑娟博士生、周炳红研究员和李明涛研究员提出了一种利用小行星进入大气层的火流星观测数据约束其物理性质和轨道的方法，并利用该方法对2022EB5近地小行星的物理性质进行了约束，推断其极有可能为一颗低密度、低强度、低反照率的碳质小行星，发表在天文领域国际知名期刊Astronomy & Astrophysics，为未来通过火流星观测数据获取小行星密度、强度、反照率等物理特性的分布特征提供了一种新途径。

　　小行星2022EB5，是人类第5颗提前预警到撞击地球的近地小行星，于格林尼治时间2022年3月11日由匈牙利天文学家Krisztián Sárneczky首次发现，并在约两小时后进入地球大气层，于挪威海上空发生解体。NASA近地小天体研究中心（CNEOS）利用美国卫星传感器网络（USGS）记录下了该小行星在地球大气内飞行过程的光变曲线及峰值亮度时刻的速度、位置，并根据光能推断出该小行星的撞击能量，约4千吨TNT。美国宇航局和欧空局等通过进入大气层前的光学观测资料确定了该小行星的轨道，利用小行星的平均反照率对小行星的尺寸进行了估计，对该小行星其他物理性质几乎一无所知。

　　对于已知峰值亮度时刻状态矢量的小行星，传统的推断方法物理性质的是将其峰值亮度时刻的速度视为进入大气时刻的速度，将峰值亮度时刻的动压视为其解体强度的最大值，从而根据估算的撞击能量进一步计算小行星的质量和轨道，推测其材质。对于有光学观测信息的小行星，通常假设平均反照率，根据绝对星等、直径、反照率间的经验关系，对小行星的尺寸进行计算。然而，这种传统的计算方式相当于跳过了小行星进入大气过程的计算，忽略了大气层对小行星轨迹的影响。而且，通过平均反照率估算的小行星尺寸也往往与实际情况存在较大偏差。

　　然而，要对小行星的大气进入过程进行建模，需要输入小行星密度、结构强度、烧蚀热等物理特性参数。但这些物理特性参数则恰恰是我们要估计的未知量。如何在未知物理特性参数的条件下对小行星的大气进入过程进行建模并且同步估计未知物理特性参数是其中的难题。

　　首先，他们将计算分四组进行，分别假设小行星为C类、S类、M类以及彗星，并根据经验参数在每组中假设小行星的密度、烧蚀热为对应材质类型的经典值。其次，将其他未知的物理量视为待优化变量，主要包括小行星峰值亮度时刻的半径、半径变化率、质量，以及小行星的解体强度。以煎饼模型的解体条件作为优化的约束条件，以此计算小行星的尺寸、质量、解体强度。最后，结合小行星各组是否有解、以及解体强度的范围，对小行星的材质进行初步判断。如，若仅有S类的组别有解，则该小行星为S类小行星；若两组以上有解，则根据强度对小行星类型进行判断。通常而言，彗星的强度<0.1MPa，M类小行星强度>10MPa，但C类与S类小行星的强度往往不能严格区分，需要其他辅助信息进一步约束。

　　空间中心小行星防御课题组利用Chelyabinsk流星体、Kosice流星体对此方法进行了验证，结果显示，使用该方法计算得到的小行星物理性质以及轨道根数，均较传统方法计算得到的的数值更符合观测结果。

　　对于2022EB5小行星，使用传统方法计算，其反照率将被假设为0.147，得到的小行星直径约1.6米；其解体强度约3.5MPa，若仅根据强度推断，2022 EB5很可能被确定为S类小行星。而利用小行星防御课题组提出的新方法，则能够对2022EB5的物理性质进行进一步的约束，如表1所示。其中，Ryugu/Bennu组是日本和美国小行星取样返回任务的目标小行星，密度约为1200kg/m3，用于模拟低密度C类小行星的撞击场景。

　　从表1计算得到的解体强度判断，2022 EB5可能为C类或S类小行星。结合表1中计算得到的直径范围以及光学观测到的绝对星等可推断，其反照率范围约为0.011-0.025，更加接近C类小行星的反照率范围。
　　图1还对比了C、S、Ryugu/Bennu三组的能量沉积曲线与光变曲线转换而来的能量沉积曲线，发现Ryugu/Bennu组与观测组最为接近。综合分析，2022 EB5极有可能为一颗低密度、低反照率、直径约5-6米的C类小行星。而此前美国宇航局和欧空局估计该小行星尺寸不足2米。

图1 2022 EB5能量沉积曲线
　　空间中心小行星防御课题组提出的将解体模型与优化算法相结合的方法，能够基于大气层中的火流星观测数据进一步约束近地小行星的物理特性。未来可利用该方法对火流星数据集进行分析，以获取近地小行星物理特性的统计分布特征，对制定近地小行星预警与防御处置策略、评估近地小行星撞击危害效应具有参考价值。
　　该研究成果以“Near-Earth object 2022 EB5: From atmospheric entry to physical properties and orbit”为题，于2023年2月1日正式发表在天文领域国际知名期刊《Astronomy & Astrophysics》。该研究得到了北京市重大科技专项、科工局近地小行星相关课题、空间中心新兴技术方向等课题的资助。
　　参考文献：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
　　论文链接：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202244084