浅谈小行星光变观测

□ 刘君达

浅谈小行星光变观测

□ 刘君达

1801年元旦，意大利的皮亚齐在众多恒星中发现了一个移动的小小亮点。后来，这个亮点被命名为谷神星（目前，谷神星已被重新归类为矮行星）。从那时开始，小行星，这些太阳系中的碎石块们，就开始进入人们的视野。小行星的研究始终都是天文学家们感兴趣的话题之一。一方面，这对于研究太阳系的起源和演化都有着非常重要的价值；另一方面，由于部分近地小行星存在与地球碰撞的可能，所以研究小行星对于保护地球安全、维护人类生存也有着至关重要的意义。

随着科技的发展，越来越多的专业小行星巡天项目投入使用（如CSS、Spacewatch、PanSTARRS等），为搜索对地球有潜在威胁的小行星而工作着。另外，还有多种手段帮助我们对小行星进行物理性质分析，如：测光、光谱、掩星、雷达等。将多种手段得到的数据进行整合，可以得到目标小行星较为准确的数据，也可为小行星的空间探测提供前期数据支持。

在下文中，笔者将主要介绍如何利用测光方法来观测小行星的光变。通过这种方法，可以得到小行星的自转周期，进而测定小行星的自转轴指向和形状，寻找可能的双小行星等。通过多波段的测光还可以测定小行星的色指数，进而得到小行星的光谱型等参数。观测发现，小行星在较短时间内会有明显的亮度变化。由于在短时间内小行星与太阳、地球的位置变化可忽略不计，因此，其光变的主要成因是小行星自转和形状不规则共同造成的接受太阳光面积的变化。

截至目前，已有近70万颗小行星被发现，其中获得永久编号的超过40万颗。但是仅有一万多颗小行星拥有测光数据。因此，小行星的测光数据库仍需要完善。

按照目前的数据统计，对于直径大于200米的小行星而言，自转周期几乎都大于2.2小时的“自转禁带”，且主要在4~10小时之间。

超链接：自转禁带 (spin barrier）

经过研究发现，绝大多数小行星的密度要比岩石密度低，像是由于引力而结合的“碎石堆”。因此，当自转周期大于某一数值（自转禁带）时，小行星可能会解体。经过大量的数据统计，发现2.2小时为小行星的“自转禁带”，直径大于200米的小行星自转周期几乎都大于这个数值。但是，对于部分更小的小行星，由于较为致密，自转周期可达仅数分钟。

器材准备

1口径100毫米以上，焦距500毫米以上的望远镜，各种光学类型均可（如折射、反射、折反射等）。

2稳定的赤道仪，需要具备电动跟踪功能，建议配备GOTO系统和导星系统。

3业余冷冻黑白CCD（如QHY9、STF-8300、QSI 690等），由于小行星会相对于背景恒星移动，为保证在观测时间内目标不会移出视场，建议CCD配合望远镜的视场应大于15角分×15角分，同时，拍摄时星点的FWHM以2个像素为宜。

4滤镜系统（非必需）。对于普通爱好者来说，不加滤镜观测亦可。有一定观测经验后，计划深入该领域或是希望多台站数据共享的爱好者，可以考虑配备UBVRI标准测光滤镜（注意，不同于深空天体拍摄或行星摄影时使用的LRGB滤镜！）Astrodon、Custom Scientific等厂商有提供。

5软件：Maxim DL等控制CCD的拍摄软件、星图软件等。

目标选择

首先，访问位于小行星信息网的光变观测候选目标筛选页面，如图1（http://www.minorplanet.info/PHP/call_ OppLCDBQuery.php）

然后，选填如下筛选信息：

1观测候选目标的编号范围。

2小行星的名称。可不指定名称或指定某一颗特定的小行星。

3观测年月。输入计划观测的年份、月份。

4小行星的族群。可不指定或指定某个特定族群的小行星。

5是否指定“有利观测条件”的目标。“有利观测条件”指筛选出的小行星在观测时处于1995~2050年中五个最亮的时期中的一个。

6是否是他人关注的目标。在网站注册后，可发布自己关注或计划观测的目标。该选项中，可按照自己的喜好选择他人正在关注的目标、正在计划观测的目标或避开他人关注与计划观测的目标。

7周期准确度情况。在小行星测光数据库中，以数字表示目前光变（自转）周期的准确程度，分成无数据、0、1、2、3等情况。数字越大，则周期越准确。这个选项中，可选择暂无数据的目标、数据不准确的目标或是数据准确的目标。

8目标星等范围。参考器材情况选择合适亮度范围的目标。由于对测光精度的要求较高，需要求目标的信噪比（SNR）至少在40~50左右。因此，请根据实际的器材和观测环境谨慎填写！对于初次观测且处于一般环境（天顶极限星等5等左右）的爱好者，建议选择亮于15等的目标，即输入“0”、“15”。

9目标的赤纬范围。由于目标需要较长时间的观测，为了使目标有较长的可连续观测时间，需根据观测地地理纬度选择赤纬较为合适的目标。对于我国大部分地区而言，可填写“0”、“90”即选择赤纬范围是0°~90°的目标。

图 1 目标筛选页面

在提交后，网站会自动调取小行星测光数据库的内容并返回符合条件的目标列表，如图2。

图2　目标列表

如图，可见目标的编号、名称等信息。值得注意的是，“Period”列、“AmpMin”列及“U”列分别表示前人测定的自转周期（以小时为单位）、最小光变幅度（以星等为单位）和周期的准确程度（数字越大周期越准确）。对于首次观测的爱好者，建议选择周期小于4小时、最小光变幅度大于0.15星等、准确度大于2的目标，以便在较短时间内观测到较为明显的光变。

观测流程

1.观测前的准备

到达观测地点后，将设备调试正常，连接CCD与拍摄软件，打开CCD的制冷功能，设定制冷温度，并使CCD达到恒温状态。利用极轴镜或漂移法校准极轴。调节望远镜焦距使成像清晰。

2. 目标拍摄

1参考星图软件，获取目标星的坐标并将其置于视场中心附近。

2为了保证测光精度，需在目标高度角大于30°时方可拍摄。

3选择合适的单张曝光时间，使目标星的SNR至少优于40，且不会由于目标相对于背景恒星的移动而脱线。

4设置连续拍摄的张数。拍摄的总时间需尽可能长，最好能长于整个光变周期。

5在观测中，需随时留意仪器运行状况和天气情况，并随时记录并调整仪器。

3. 校正场的拍摄

为了获得尽可能准确的测光数据，需使用暗场、平场、本底对拍摄的原始图像进行改正以尽可能减小数据的误差。校正场的拍摄需在CCD的温度与拍摄目标图像时相同，并保持恒温时进行。

1暗场

即使在无光照的条件下CCD材料的热电子也会产生电荷，需以扣暗场的方式去除。具体拍摄方法是关闭镜头盖，设置与目标原始图像相同的曝光时间。拍摄10~20张。

2平场

拍摄平场是为了减少仪器光学系统不完美、CCD各像元感光性能的微小差异和CCD上的灰尘等问题对原始图像造成的影响。平场的具体拍摄方法是在日落后或日出前的短暂时间内将望远镜对准天顶附近，拍摄10张平场，每张平场图像的曝光时间需针对天光情况进行调整，一般在3~50秒之间，ADU计数在满井计数的1/3~1/2左右。每拍摄一张，应略微移动望远镜的位置以在后期合并平场图像时避免亮星的影响。

3本底

本底是指CCD每个像素记录的光电荷数的底值。拍摄方法是进行零秒曝光，拍摄一组50张。

数据处理

可使用MaxIm DL、MPO Canopus、Mira Pro等软件对获得的数据进行后期处理和分析，需经过数据预处理和较差测光两个步骤。目前，笔者采用的是MPO Canopus软件，考虑到目前使用MaxIm DL软件的同好较多，以MaxIm DL为例进行说明。

1. 数据预处理

数据预处理即将原始图像减平场、减本底、除平场的过程。具体步骤如下：

1打开MaxIm DL 5软件，选择Process菜单中的Set Calibration选项，选择事先拍摄的暗场、平场、本底图像，如图3。

图3　Set Calibration

2打开目标原始图像。若数量太多可分批打开。点击Process菜单中的Calibrate All，软件会自动对目标图像进行数据预处理工作。

背景知识

小行星中心：

国际小行星中心（The Minor Planet Center，简称MPC），是一个隶属于国际天文联合会的组织。挂靠在哈佛大学与史密松学会联合建立的哈佛-史密松天体物理中心（Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics，简称CfA）。其主要工作是收集小行星及彗星的观测数据、计算并发布小行星与彗星的轨道、发布小行星和彗星的编号或名称。

小行星公报：

小行星公报（The Minor Planet Bulletin,简称MPBu），是美国月球与行星观测者协会（Association of Lunar and Planetary Observers，ALPO）小行星分部出版的一本公开刊物。杂志的内容包括有关小行星的理论、观测和历史信息的研究等，发表的文章以业余爱好者研究成果为主，专业人员的研究为辅。目前，杂志中大多数文章均为小行星光变曲线方面的成果。自1994年至今的杂志可在http://www.minorplanet.info/ mpbdownloads.html上下载。

2. 较差测光

较差测光，顾名思义，就是通过对比目标星和已知亮度的比较星的方法得到目标星亮度。如图4。在MaxIm DL中的运行方法如下：

1选择测光孔径。右键，设置Aperture Radius、Set Gap Width、Set Annulus Thickness。使中间小圆的半径略大于星点半径，外侧两圆组成的圆环内不能有星点，因为圆环的作用是测量背景天光的。

2选择Analyse菜单内的Photometry。

3点击Photometry窗体内的“Mouse click as”，选择New Moving Object，并在第一张图的目标小行星上点击。

4切换到最后一张图，点击“Mouse click as”，选择Mov1，并在目标小行星上点击，软件会自动将所有图片上的目标小行星标记为“Mov1”。

5选择比较星。点击“Mouse click as”，选择New Reference Star，在图片上选择一颗亮度与目标小行星接近，且类型与太阳类似的恒星，可参考星表选择合适的比较星，并在Ref Mag中输入该比较星的星等。可选择1~3颗比较星，多选几颗比较星可使测光结果更为准确。

6选择验证星。点击“Mouse click as”，选择New Check Star，选择一颗亮星。

7以上操作全部完毕后，点击Photometry窗体内的“View Plot”。光变曲线便会显示，如图5。点击Save data可保存测光文件。

图4　较差测光示意图

图5　光变曲线示例

图6　小行星2019的自转周期

以上就是完整的一次简单的小行星光变观测流程。

当获得覆盖足够长时间的测光数据后，可使用MPO Canopus将数据整合，并通过软件中Alan Harris编写的周期算法，测定小行星的光变周期（通过简单的修正，即可得到小行星的自转周期），图6是笔者测定的小行星2019的自转周期。

目前，笔者在江苏省苏州市的郊区建立了一个简易的远程天文台，在课余时间进行小行星搜索和测光的工作。目前发现了16颗小行星，获取了数颗小行星的测光数据并在Minor Planet Bulletin上发表了有关结果。详情可浏览www.lyobs. com。交流有关问题或是进行多站合作观测的同好，欢迎和笔者联系。邮箱：824841086jdl@gmail.com、QQ:824841086。

小行星测光数据库：

小行星测光数据库（Lightcurve Database，LCDB），记录了小行星的自转周期、光谱型、反照率、自转轴指向、形状等数据，目前记录了一万余颗小行星的数据。

小行星信息网（www.minorplanet.info）：

资深业余天文学家Brain D. Warner主办的一个有关小行星的网站，站内有关于小行星各方面的链接、教程等，内容较为全面。

MPO Canopus：

一个专门用于小行星测光的软件，可进行数据预处理、较差测光、生成光变曲线、计算自转周期等，功能全面。小行星公报上的相关成果多由该软件得出，在该方向兴趣较为浓厚的同好可考虑购买，价格为65美元，链接如下：http://bdwpublishing.com/mpocanopusv10.aspx。

小行星搜索：

不少业余爱好者执着于新小行星的搜索，它的原理是闪动间隔一段时间拍摄的3~4张同一天区的图片，利用肉眼或计算机寻找其中相对背景恒星大致沿一条直线运动的亮点，并发送至数据库与已知目标的位置进行比对。虽然目前各大巡天系统“横行”，然而不少爱好者仍有着相当出色的成绩。例如“华人小行星大王”杨光宇，以1998个永久编号，高居小行星发现排行榜第12位，这个数字甚至超过了不少专业台站。我国业余天文台“星明天文台”也获得了80余颗小行星的临时编号。