□ 詹 想

小行星掩星
——玩并科研著

□ 詹 想

科研，聽到這個(gè)詞，一般人都會(huì)覺得是一項(xiàng)很高大上的事，腦中往往會(huì)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(shí)，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(cè)的科學(xué)，而有的觀測(cè)，不是某個(gè)高大上的單個(gè)天文臺(tái)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(cè)。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(yáng)系中圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的小天體，它們?yōu)閿?shù)眾多。大多數(shù)小行星個(gè)頭很小，距離遙遠(yuǎn)，難以直接測(cè)量其大小和形狀，但通過小行星掩星卻可以有效測(cè)量。所謂小行星掩星，是指相對(duì)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(shí)間遮擋的現(xiàn)象。對(duì)于軌道根數(shù)已知的小行星，它相對(duì)于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)速度v是已知的。觀測(cè)時(shí)，用視頻記錄下掩星的全過程，就能得到掩星時(shí)長(zhǎng)t。然后將t乘以v，就能粗略得到小行星相對(duì)于你所在的觀測(cè)點(diǎn)的大小。

更進(jìn)一步，如果在垂直于小行星運(yùn)行方向上的多個(gè)地方安排多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，形成小行星掩星的多站聯(lián)測(cè)，觀測(cè)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(cè)，如果沒有觀測(cè)到現(xiàn)象，這次觀測(cè)可能就失敗了。但小行星掩星不同，如果你在預(yù)報(bào)會(huì)發(fā)生掩星的地方進(jìn)行觀測(cè)，最后結(jié)果卻是沒有觀測(cè)到掩星現(xiàn)象，那么就意味著預(yù)報(bào)有誤，也就意味著對(duì)該小行星軌道的測(cè)定或者對(duì)被掩恒星位置的測(cè)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(bào)的查詢

圖1 理論上，在垂直于小行星運(yùn)行方向上進(jìn)行精度夠高的多站聯(lián)測(cè)，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(huì)在地球上拖出一條窄長(zhǎng)的掩食帶，只有在掩食帶里才能觀測(cè)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(gè)免費(fèi)軟件，在官網(wǎng)“http://www.occultwatcher.net/”點(diǎn)擊右上的“Download”就能下載。

Occult Watcher運(yùn)行后的界面如圖2所示。如果第一次運(yùn)行是英文版的，可以點(diǎn)擊菜單欄最右邊的Help，選擇“Language-簡(jiǎn)體中文”，即可換成中文版。首次運(yùn)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(gè)選項(xiàng)卡。“基本”選項(xiàng)卡里，最重要的是“我的觀測(cè)點(diǎn)”，一定要填上你所在的觀測(cè)點(diǎn)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(xiàng)”可以保持默認(rèn)，“預(yù)報(bào)傳送”選項(xiàng)卡一般勾上第一個(gè)“IOTA全球重點(diǎn)小行星掩星預(yù)報(bào)”就足夠了（圖4）?！坝^測(cè)計(jì)劃”可以讓你加入全球的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，不過初學(xué)者還用不到。

設(shè)置好以后，點(diǎn)擊“完成”，耐心等待一段時(shí)間，軟件會(huì)聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)更新最新的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，然后顯示出圖2所示的界面。上方是預(yù)報(bào)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(shí)間（建議在設(shè)置里讓這里顯示本地時(shí)間，對(duì)我們來說就是北京時(shí)間）、被掩星星等、Rank值（粗略說就是預(yù)報(bào)的靠譜程度，100的話意味著預(yù)報(bào)會(huì)很準(zhǔn)，數(shù)值較低的話就是預(yù)報(bào)誤差很大）、旅行距離（即你所在位置到最近的掩星地點(diǎn)的直線距離）、數(shù)據(jù)的最后更新時(shí)間。

這里的預(yù)報(bào)會(huì)默認(rèn)按事件發(fā)生的時(shí)間排序，不過你也可以點(diǎn)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(cè)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(diǎn)擊某一次事件，下方就會(huì)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(gè)沒有漢化的數(shù)據(jù)，“Error in time”指預(yù)報(bào)時(shí)間的誤差，“Combined Magnitude”指被掩星和小行星在一起的復(fù)合星等，因?yàn)檠谛乔昂?，被掩星和小行星離得很近，在觀測(cè)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(bào)傳送界面

事件詳情區(qū)的最下方有幾個(gè)重要的鏈接：

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

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

點(diǎn)“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(cè)方法

過去，愛好者觀測(cè)掩星的基本方法是肉眼計(jì)時(shí)觀測(cè)，這種觀測(cè)很累，而且誤差很大。但在當(dāng)今這個(gè)數(shù)碼時(shí)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(cè)。

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

愛好者能進(jìn)行多高精度的觀測(cè)？

對(duì)小行星掩星而言，高精度觀測(cè)，主要是指高時(shí)間精度和高測(cè)光精度。后者對(duì)于愛好者來說很難，但前者比較容易，所以我們重點(diǎn)說前者。

在當(dāng)今數(shù)碼時(shí)代，數(shù)碼單反相機(jī)（后文簡(jiǎn)稱單反）已經(jīng)是許多熱衷天文觀測(cè)的愛好者的標(biāo)配。現(xiàn)在的單反基本都有視頻拍攝功能。視頻有一個(gè)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(shí)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(cè)定得很準(zhǔn)的話，用這樣的視頻測(cè)定小行星大小的誤差可以控制在千米量級(jí)。作為對(duì)比，用世界上已經(jīng)建成的最大的射電望遠(yuǎn)鏡Arecibo，對(duì)主帶小行星直接進(jìn)行雷達(dá)觀測(cè)，測(cè)定小行星大小的誤差在十幾千米量級(jí)。看，愛好者用自己手里的器材做出的觀測(cè)，有可能比最大的望遠(yuǎn)鏡做出的觀測(cè)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(cè)的價(jià)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(tái)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(shí)測(cè)，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(zhǎng)焦的鏡頭或者望遠(yuǎn)鏡，拍攝視頻的極限星等還會(huì)提高。因此，對(duì)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(cè)。

圖5 對(duì)一次過北京的小行星掩星，我計(jì)劃安排的觀測(cè)點(diǎn)。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(shí)間信號(hào)

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(shí)間信號(hào)？誠(chéng)然，即使沒有時(shí)間信號(hào)，通過視頻也能測(cè)出掩星事件的持續(xù)時(shí)間，乘以小行星速度同樣可以得到小行星的大小。不過，這時(shí)候的測(cè)量只能完全根據(jù)視頻本身的長(zhǎng)度，或者說視頻拍到的總幀數(shù)來計(jì)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(huì)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(cè)，就必須有準(zhǔn)確的事件開始和結(jié)束的具體時(shí)刻，否則無法把多站的資料整合在一起。

準(zhǔn)確的時(shí)間信號(hào)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(hào)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?yàn)橐话愕闹悄苁謾C(jī)都有GPS模塊，安裝合適的APP就能顯示出精確的時(shí)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(cè)，可能無法接收GPS信號(hào)，但一般有寬帶環(huán)境，這時(shí)可以使用NTP時(shí)間同步軟件與距離較近的時(shí)間同步服務(wù)器進(jìn)行同步，也可以得到高精度的時(shí)間信號(hào)。比如，PC上可以使用NTPClock軟件，智能手機(jī)平臺(tái)也有相應(yīng)的時(shí)間同步APP。同步好的時(shí)間，在幾小時(shí)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(shí)間信號(hào)，如何把時(shí)間信號(hào)疊加在掩星視頻里，又是一個(gè)難點(diǎn)。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(shí)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(shí)間碼疊加在視頻上。目前我只找到一個(gè)間接的方法做到這一點(diǎn)（感謝鐵桿天文愛好者汪寅的啟發(fā)）：觀測(cè)時(shí)，單反并不直接拍攝視頻，而只是使用實(shí)時(shí)取景+局部放大功能，將被掩星顯示在屏幕上。然后，把GPS時(shí)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(shí)，被掩星和時(shí)間信號(hào)就在一起了。最后，再用另一個(gè)相機(jī)或手機(jī)的視頻拍攝功能，將GPS時(shí)間顯示設(shè)備和單反屏幕同時(shí)拍在一起即可（圖7）。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是需要同時(shí)照顧多臺(tái)觀測(cè)設(shè)備，對(duì)觀測(cè)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(cè)光研究。

圖6 安卓GPS Test應(yīng)用顯示準(zhǔn)確時(shí)間的界面

圖7 同時(shí)拍攝被掩星和GPS時(shí)間信號(hào)。圖中右邊中間發(fā)紅的星點(diǎn)就是被掩星。

如果使用這種方法，那么還有一個(gè)精益求精的步驟，就是在觀測(cè)前或者觀測(cè)后，測(cè)試一下單反實(shí)時(shí)取景的圖像延遲。方法如圖8所示，將單反對(duì)準(zhǔn)一個(gè)正在跳秒的鐘，打開實(shí)時(shí)取景，然后用另一個(gè)視頻拍攝設(shè)備將單反屏幕和時(shí)鐘拍在一起。圖8上這一幀，時(shí)鐘的時(shí)間已經(jīng)跳到了47.0秒，但單反屏幕上顯示的時(shí)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(cè)出單反實(shí)時(shí)取景的圖像延遲。

圖8 相機(jī)圖像延遲測(cè)試

獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)以后

獲得觀測(cè)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?；蛘?，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(guó)有越來越多的愛好者參與到小行星掩星的觀測(cè)中來?！绊槺阃嫱婵蒲小?，這種感覺還是蠻好的！

（責(zé)任編輯 張恩紅）