小行星掩星
——玩并科研著

□ 詹 想

小行星掩星
——玩并科研著

□ 詹 想

科研，聽到這個詞，一般人都會覺得是一項很高大上的事，腦中往往會浮現(xiàn)出這樣一些關(guān)鍵詞：昂貴的專業(yè)設(shè)備、滿頭銀發(fā)的科學(xué)家、幾十年如一日的艱難探索……其實，有許多科研的門檻是很低的，低到普通人就能做，天文也是如此。天文是一門觀測的科學(xué)，而有的觀測，不是某個高大上的單個天文臺就能做好的，必須要不同地方的許多愛好者一起努力才行，比如，流星雨的目視標(biāo)準(zhǔn)觀測。又比如，本文要詳細(xì)介紹的小行星掩星。

什么是小行星掩星？

小行星是太陽系中圍繞太陽運行的小天體，它們?yōu)閿?shù)眾多。大多數(shù)小行星個頭很小，距離遙遠(yuǎn)，難以直接測量其大小和形狀，但通過小行星掩星卻可以有效測量。所謂小行星掩星，是指相對于我們的視線而言，小行星剛好從恒星前面飛過，將恒星短時間遮擋的現(xiàn)象。對于軌道根數(shù)已知的小行星，它相對于觀測者的運動速度v是已知的。觀測時，用視頻記錄下掩星的全過程，就能得到掩星時長t。然后將t乘以v，就能粗略得到小行星相對于你所在的觀測點的大小。

更進(jìn)一步，如果在垂直于小行星運行方向上的多個地方安排多個觀測點，形成小行星掩星的多站聯(lián)測，觀測精度夠高的話，我們甚至有可能得到該小行星的大體形狀。

一般的觀測，如果沒有觀測到現(xiàn)象，這次觀測可能就失敗了。但小行星掩星不同，如果你在預(yù)報會發(fā)生掩星的地方進(jìn)行觀測，最后結(jié)果卻是沒有觀測到掩星現(xiàn)象，那么就意味著預(yù)報有誤，也就意味著對該小行星軌道的測定或者對被掩恒星位置的測定不準(zhǔn)，這也具有很強(qiáng)的科學(xué)意義。

小行星掩星預(yù)報的查詢

圖1 理論上，在垂直于小行星運行方向上進(jìn)行精度夠高的多站聯(lián)測，有可能得到該小行星的大體形狀。

小行星掩星類似日全食，會在地球上拖出一條窄長的掩食帶，只有在掩食帶里才能觀測到掩星現(xiàn)象。

可以使用軟件“Occult Watcher”來查詢小行星掩星的情況。這是一個免費軟件，在官網(wǎng)“http://www.occultwatcher.net/”點擊右上的“Download”就能下載。

Occult Watcher運行后的界面如圖2所示。如果第一次運行是英文版的，可以點擊菜單欄最右邊的Help，選擇“Language-簡體中文”，即可換成中文版。首次運行軟件需要進(jìn)行一些基本設(shè)置，圖3就是設(shè)置界面，可以看到一共有5個選項卡?！盎尽边x項卡里，最重要的是“我的觀測點”，一定要填上你所在的觀測點的坐標(biāo)，其他設(shè)置可以參考圖3?！昂Y選現(xiàn)象”和“其它選項”可以保持默認(rèn)，“預(yù)報傳送”選項卡一般勾上第一個“IOTA全球重點小行星掩星預(yù)報”就足夠了（圖4）?！坝^測計劃”可以讓你加入全球的觀測網(wǎng)絡(luò)中，不過初學(xué)者還用不到。

設(shè)置好以后，點擊“完成”，耐心等待一段時間，軟件會聯(lián)網(wǎng)自動更新最新的預(yù)報數(shù)據(jù)，然后顯示出圖2所示的界面。上方是預(yù)報列表區(qū)，顯示出近期的一些小行星掩星事件，從左到右的各列依次是小行星名字、掩星發(fā)生的具體時間（建議在設(shè)置里讓這里顯示本地時間，對我們來說就是北京時間）、被掩星星等、Rank值（粗略說就是預(yù)報的靠譜程度，100的話意味著預(yù)報會很準(zhǔn)，數(shù)值較低的話就是預(yù)報誤差很大）、旅行距離（即你所在位置到最近的掩星地點的直線距離）、數(shù)據(jù)的最后更新時間。

這里的預(yù)報會默認(rèn)按事件發(fā)生的時間排序，不過你也可以點擊上方的表頭，按照別的方式排序，比如按照被掩星亮度排序，讓你迅速找到最容易觀測的事件；或者按照旅行距離排序，讓你迅速找到最容易到達(dá)掩食帶的事件。

在圖2上方點擊某一次事件，下方就會顯示這次事件的詳情。重要數(shù)據(jù)都已經(jīng)漢化，大家一目了然。有兩個沒有漢化的數(shù)據(jù)，“Error in time”指預(yù)報時間的誤差，“Combined Magnitude”指被掩星和小行星在一起的復(fù)合星等，因為掩星前后，被掩星和小行星離得很近，在觀測設(shè)備里無法分辨開。大多數(shù)小行星都比被掩星暗得多，所以復(fù)合星等基本上跟被掩星星等一樣。

圖2 Occult Watcher軟件主界面

上：圖3 Occult Watcher基本設(shè)置界面

下：圖4 Occult Watcher預(yù)報傳送界面

事件詳情區(qū)的最下方有幾個重要的鏈接：

1.點“顯示網(wǎng)上地圖”可以在瀏覽器里打開一個Google Map窗口，并顯示出掩食帶；

2.點“網(wǎng)上查看詳情”會鏈接到“http://www.asteroidoccultation.com”網(wǎng)站，查看更詳細(xì)的預(yù)報，比如點擊“Detailed Info”查看詳細(xì)數(shù)據(jù)，3.點擊“Finder Charts (courtesy of Guide):”后面的鏈接還可以下載被掩星不同視場的證認(rèn)星圖。

點“保存為‘谷歌地球’kml文件”后，可以直接用“谷歌地球”軟件打開kml文件并查看詳情。

小行星掩星的基本觀測方法

過去，愛好者觀測掩星的基本方法是肉眼計時觀測，這種觀測很累，而且誤差很大。但在當(dāng)今這個數(shù)碼時代，愛好者們卻可以充分利用自己手中現(xiàn)有的設(shè)備，進(jìn)行高精度的掩星觀測。

不過，在進(jìn)行高精度觀測之前，我們首先要做的事是：查詢好掩星預(yù)報，提前到達(dá)掩食帶中，架設(shè)好觀測設(shè)備，找到被掩星，然后才是觀測！

愛好者能進(jìn)行多高精度的觀測？

對小行星掩星而言，高精度觀測，主要是指高時間精度和高測光精度。后者對于愛好者來說很難，但前者比較容易，所以我們重點說前者。

在當(dāng)今數(shù)碼時代，數(shù)碼單反相機(jī)（后文簡稱單反）已經(jīng)是許多熱衷天文觀測的愛好者的標(biāo)配?，F(xiàn)在的單反基本都有視頻拍攝功能。視頻有一個幀速率的概念，比如每秒25幀，就相當(dāng)于每秒鐘高速連拍25張圖像，因此這樣的視頻的時間分辨率可以達(dá)到1/25秒（0.04秒），精度很高。如果小行星本身軌道測定得很準(zhǔn)的話，用這樣的視頻測定小行星大小的誤差可以控制在千米量級。作為對比，用世界上已經(jīng)建成的最大的射電望遠(yuǎn)鏡Arecibo，對主帶小行星直接進(jìn)行雷達(dá)觀測，測定小行星大小的誤差在十幾千米量級。看，愛好者用自己手里的器材做出的觀測，有可能比最大的望遠(yuǎn)鏡做出的觀測還要精準(zhǔn)，這是不是一件很神奇的事！所以，愛好者進(jìn)行小行星掩星觀測的價值是很高的。再加上小行星掩星的掩食帶都很窄，正好通過大型天文臺的可能性很低，這就更加需要依靠分布廣泛的愛好者來積極參與了。

那么，單反拍視頻能拍到暗星嗎？根據(jù)實測，在晴天，在北京西五環(huán)這種光污染比較強(qiáng)的地方，使用佳能650D相機(jī)，加50mm f/1.4鏡頭拍攝視頻，能拍到4.5等星；加200mm f/2.8鏡頭，能拍到6.5等星。650D屬于比較低端的數(shù)碼單反，如果使用更好的全畫幅數(shù)碼單反，比如6D，或者使用更長焦的鏡頭或者望遠(yuǎn)鏡，拍攝視頻的極限星等還會提高。因此，對于被掩星比較亮的掩星事件，即使是居住在城里的普通天文愛好者，也能進(jìn)行足不出戶的觀測。

圖5 對一次過北京的小行星掩星，我計劃安排的觀測點。上下兩條藍(lán)線就是掩食帶的邊界，中間的綠線是掩食帶中心線。

如何獲取準(zhǔn)確的時間信號

現(xiàn)在剩下的最后的也是最大的問題，就是如何讓你的視頻包含準(zhǔn)確的時間信號？誠然，即使沒有時間信號，通過視頻也能測出掩星事件的持續(xù)時間，乘以小行星速度同樣可以得到小行星的大小。不過，這時候的測量只能完全根據(jù)視頻本身的長度，或者說視頻拍到的總幀數(shù)來計算。但是，視頻是有可能丟幀的，少量的丟幀你根本看不出來，這就會導(dǎo)致你的結(jié)果可信度大大下降。更重要的，如果想進(jìn)行多站聯(lián)測，就必須有準(zhǔn)確的事件開始和結(jié)束的具體時刻，否則無法把多站的資料整合在一起。

準(zhǔn)確的時間信號如何得到呢？如果在室外，最容易想到的就是GPS。以前，獲取GPS信號需要GPS手持機(jī)，這玩意兒一般比較貴，普通愛好者手里可能根本沒有。但現(xiàn)在這完全不是問題，因為一般的智能手機(jī)都有GPS模塊，安裝合適的APP就能顯示出精確的時間。比如，蘋果iOS系統(tǒng)可以使用GPS Time Converter，安卓系統(tǒng)可以使用GPS Test。

如果足不出戶在室內(nèi)觀測，可能無法接收GPS信號，但一般有寬帶環(huán)境，這時可以使用NTP時間同步軟件與距離較近的時間同步服務(wù)器進(jìn)行同步，也可以得到高精度的時間信號。比如，PC上可以使用NTPClock軟件，智能手機(jī)平臺也有相應(yīng)的時間同步APP。同步好的時間，在幾小時內(nèi)的誤差基本可以忽略，即使脫離寬帶環(huán)境也可以繼續(xù)使用。

有了準(zhǔn)確的時間信號，如何把時間信號疊加在掩星視頻里，又是一個難點。如果你用筆記本電腦錄制視頻，則可以使用一些特殊的軟件，把預(yù)先同步好的筆記本電腦時間碼寫在視頻的每一幀上，但這需要硬件和軟件的雙重支持，比較復(fù)雜，大多數(shù)愛好者可能沒有這一條件，所以就不在這里詳述了，有興趣的讀者可以直接給我發(fā)郵件討論：universezx@163.com。

大多數(shù)愛好者可能只能使用單反直接錄制視頻，但這樣很難把時間碼疊加在視頻上。目前我只找到一個間接的方法做到這一點（感謝鐵桿天文愛好者汪寅的啟發(fā)）：觀測時，單反并不直接拍攝視頻，而只是使用實時取景+局部放大功能，將被掩星顯示在屏幕上。然后，把GPS時間顯示設(shè)備（比如智能手機(jī)的GPS APP）放在單反屏幕旁邊，這時，被掩星和時間信號就在一起了。最后，再用另一個相機(jī)或手機(jī)的視頻拍攝功能，將GPS時間顯示設(shè)備和單反屏幕同時拍在一起即可（圖7）。這個方法的缺點是需要同時照顧多臺觀測設(shè)備，對觀測者的能力和穩(wěn)定性提出了較高的要求。另外就是被掩星的亮度變化情況是翻拍的，得到的視頻幾乎不能用于做測光研究。

圖6 安卓GPS Test應(yīng)用顯示準(zhǔn)確時間的界面

圖7 同時拍攝被掩星和GPS時間信號。圖中右邊中間發(fā)紅的星點就是被掩星。

如果使用這種方法，那么還有一個精益求精的步驟，就是在觀測前或者觀測后，測試一下單反實時取景的圖像延遲。方法如圖8所示，將單反對準(zhǔn)一個正在跳秒的鐘，打開實時取景，然后用另一個視頻拍攝設(shè)備將單反屏幕和時鐘拍在一起。圖8上這一幀，時鐘的時間已經(jīng)跳到了47.0秒，但單反屏幕上顯示的時間還處于46.9秒向47.0秒過渡的狀態(tài)，這樣通過視頻的幀數(shù)就能精確測出單反實時取景的圖像延遲。

圖8 相機(jī)圖像延遲測試

獲得觀測數(shù)據(jù)以后

獲得觀測數(shù)據(jù)以后，你可以自己嘗試進(jìn)行一些初步的研究——這很適合一些需要進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的中學(xué)生。或者，你也可以把數(shù)據(jù)匯總給我，由我來進(jìn)行后續(xù)的分析和研究。再說一遍我的郵箱：universezx@163.com。

最后，希望我國有越來越多的愛好者參與到小行星掩星的觀測中來?！绊槺阃嫱婵蒲小保@種感覺還是蠻好的！

（責(zé)任編輯 張恩紅）