天文学家如何保卫人类？"擎天神" 严阵以待

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摘要：ATLAS担负着监测小行星、守护人类的重要使命。同时，它还可以观测发出或反射可见光的几乎一切种类的天文爆发现象与各类恒星。至2020年11月1日为止，ATLAS发现533颗近地小行星、57颗危险小行星、7033颗超新星、53颗彗星，并观测了数以亿计的恒星。它为何如此强大？它是如何保护人类的？这篇文章将为您回答这些问题，并在文章末尾给您一个彩蛋。

如果你遇到一个天文学家，如何一句话把天聊死？——“你研究的这些有什么用？”

如果你是一个天文学家，如何起死回生——“天文观测真的可以挽救人类。”

能够让天文学家有底气这么回答的依据是：天文学家已经建立了一些专门的望远镜，用以监测那些有可能撞击地球的危险小行星并及时预警，让落点附近的人群有至少几天的时间及时避难。

在未来科技更强的时候，人类甚至可以在得到天文学家的预警之后，发射飞行器，将入侵的小行星推离甚至摧毁。

现在，就让我们先来了解小行星对地球的威胁，然后再来领略监测小行星的望远镜系统之一的ATLAS（阿特拉斯）的神威与风采。

小行星的威胁并不遥远

尽管小行星看似很遥远，但小行星对地球的威胁却并不遥远。有一些小行星轨道怪异，或者经过某个大行星时受到大行星引力的扰动而使轨道突然变化，然后会冲向地球，有的甚至会撞击地球。撞击地球的小行星如果足够大，就会导致巨大的灾难，甚至引发重大伤亡。

现在学界普遍认为，6500万年前，一颗小行星撞击地球，导致气候灾难，继而导致恐龙灭绝。

即使不考虑那么遥远的过去，近现代也发生过小行星撞击地球导致的灾难。比如，1908年6月30日，一颗直径为50到190米之间的小行星进入地球大气后，在俄罗斯西伯利亚森林区通古斯（俄：Тунгуска，英：Tunguska）上空几千米处炸裂，此后的爆炸相当于后来广岛上爆炸的原子弹威力的200到2000倍，产生的冲击波将周围2000平方千米的林场推平，所幸那里几乎是无人区，死亡人数可能只有3人，但这3人都未被确认。

在更近得多的2013年2月15日上午，一颗直径约为17米的小行星进入大气层，与大气发生强烈的摩擦后，在俄罗斯的车里雅宾斯克（俄：Челябинск，英：Chelyabinsk）州上空成为“火流星”，然后爆炸为大量碎片，碎片坠落后引发的冲击波，震裂了附近的一些房屋的的窗玻璃，玻璃碎片击中屋内的人，导致1500人受伤。

图：2013年，划过车里雅宾斯克上空的火流星。来源：^[1]

据研究，每年有大约1个直径为4米的小行星进入地球，每5年有大约1个直径为7米的小行星进入地球，后者携带的动能相当于广岛原子弹的爆炸当量^[2]。不过这些小行星在进入大气层后就会被彻底瓦解，成为绚丽的流星。

但是，那些直径超过20米的小行星就有能力对人类造成伤亡。破坏力达到1908年通古斯大爆炸级别的小行星大约每3000年会撞击地球一次^[3]。

对于地球上的人类预期延续的时间而言，3000年是一个很小的数字。此外，平均3000年并不意味着两次撞击之间的时间间隔一定是严格的3000年：可能几百年时间内就有两次撞击事件发生^[注1]，也可能1万年内都不会有下一次。

因此，对这类危险的小行星的监测是非常迫切的。

ATLAS: 地球保护神

为了监测那些靠近地球甚至有可能迎头撞击地球的小行星，天文学家成立了地球防护组织，并建立了专门的防护地球的望远镜系统。

这些防护地球的望远镜系统中，“小行星地球撞击最后警报系统” (Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System) ^[注2]是效率最高的之一。

这个系统的英文缩写为ATLAS，而这恰好是古希腊神话中的擎天神“阿特拉斯”，他是泰坦（巨人）神族之一，被宙斯降罪用双肩支撑天。这个缩写恰好意味着这个系统可以拯救地球。下面，我们仍然以ATLAS这个缩写来称呼它，但大家可以将其念为“阿特拉斯”。

ATLAS项目组于2013年获得NASA提供的500万美元资助，项目的运营单位为夏威夷大学，首席科学家是夏威夷大学天文研究所的John Tonry。

2015年与2017年，ATLAS的两台光学望远镜先后被安装于夏威夷群岛的Haleakala岛与Mauna Loa (Maunaloa) 岛。这两台望远镜的球面主镜的口径（即镜头直径）都是65厘米，装配的施密特修正镜的口径为50厘米^[3]。

图：位于Haleakala岛的ATLAS-MLO望远镜与它所在的圆顶与外面的星空。来源：^[3]

这两个望远镜分别被命名为ATLAS1与ATLAS2，或者ATLAS-HKO与ATLAS-MLO。在建造完成的同一年，这两个望远镜就开始进入观测阶段。

图：工程人员正在安装位于Mauna Loa岛的ATLAS-MLO。来源：^[4]

ATLAS的两个望远镜之间的距离为158千米，这样可以尽量避免两个望远镜同时受到坏天气的影响，并可以更精确地测定出小行星的轨道。

图：北半球的ATLAS的两台望远镜所在的位置。来源：^[5]

ATLAS的监测重点是那些近地小行星与危险小行星。近地的标准是可以进入地球附近150万千米（大约是地球与月球距离的4倍），危险的标准是直径超过30米^[3]。

ATLAS的视野与观测效率

ATLAS的CCD的像素高达1.1亿^[6]。为了能够及时侦测到遥远的危险小行星，望远镜必须能够看到19等的亮度，这相当于在几千公里之外看到的一根火柴发出的光，同时是人眼能够看到的亮度极限的几十万分之一。换句话说，ATLAS的望远镜镜头的灵敏度必须比人眼高几十万倍。

为了能够探测到19等星，ATLAS每次拍摄都用30秒时间收集天体发出的光，使其积累到CCD上面。完成拍摄后，数据读出消耗的时间不超过10秒，一般为5秒^[6]。因此，单次拍摄的总时间为35秒。

作为一个扫描式的“巡天”望远镜，我们还要知道它用多长时间可以扫描拍摄完整个天空。这取决于三个因素：它每次拍摄能够覆盖到的天区的面积大小、它需要拍摄的天区的大小、每次曝光的时间。

首先，我们看看ATLAS的视野。ATLAS每拍摄一次天空，覆盖的天空的角度为5.375度，覆盖的面积是28.9平方度^[3]。作为对比，满月在天空中的角度大约是0.5度。ATLAS成像区域的边长大约是满月宽度的11倍，成像面积大约是月亮的160倍。

再看全天的视野面积。这个数值大约是41253平方度。ATLAS的可观测范围是南纬45度以北的天区，对应的面积是全天面积的85%^[3]，即35065平方度。这些区域中有大约25%因为太靠近太阳而无法观测，剩余的可观测天区是24500平方度^[3]。

将24500除以28.9后取整数，得到的曝光次数是848次。不过，拍摄不同区域时会有一些重叠，这使得实际上的扫描曝光次数为1000次。将ATLAS每次曝光加时间与数据读取时间总和（35秒）乘以1000，得到的时间是大约10小时，这大约是一个晚上的观测时间。这意味着，ATLAS的每个望远镜只需要大约1晚上就可以观测完它们的可观测天空。

图：从2015年9月到2018年1月，ATLAS北半球的两台望远镜的的观测范围，图中下方黑色区域是它们的盲区。不同颜色代表不同的被观测次数：白色表示被观测了600次以上，红色表示被观测了500次，黄色表示被观测了300次，黄绿色表示被观测了100次。图与文字说明来源：^[3]

不过，为了能够获得小行星的更多信息，ATLAS每个夜晚要观测同一片天区4次。所以项目组只让每个望远镜每个晚上扫描可观测天空的4分之1。两个望远镜协同观测，一晚上可以扫描可观测天空的一半。

因此，每2个夜晚，这2台望远镜就可以扫描可观测天空4次，每扫描完一遍后停15分钟。

高频就是生命

对于防备那些直到快撞击到地球才突然现身的小行星，如此高频率的监测实在太重要了。

高频率的扫描观测，会及时把即将观测到地球的小行星确认出来，及时发布预警，这也是这个系统有底气自称“最后警报”的原因。

作为对比，口径比ATLAS大得多的“全景巡天望远镜和快速反应系统”（Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System，缩写为Pan-STARRS）的缺点就在于扫描周期太长，需要几星期。^[注3]

如果监测频率是几星期1次，那么就有可能出现这样的情况：今天在某个区域没有监测到任何东西，几星期后再扫描这个区域之前一两天，隐匿地非常好的危险小行星就撞进大气层了，那就彻底凉了。

ATLAS的高频率扫描，确保了预警的及时性。

对于直径超过100米的小行星，ATLAS可以在它们还在4000万千米之外的距离发现它，假如它的速度是每秒20千米，这可以给出200万秒（约23天）的预警时间^[6]。

对于直径超过10米的小行星，ATLAS可以在它们还在400万千米之外的距离发现它，假如它的速度是每秒20千米，这可以给出20万秒（约2.3天）的预警时间^[6]。

动图：对同一片天区每隔12分钟拍摄出的4张照片叠加后的动图，从中可以到一个小行星在快速移动。来源：^[6]

考虑各种因素，ATLAS可以在直径50米的小行星撞击地球之前3到9天发出预警，在直径140米的小行星撞击地球之前10到40天发出预警^[6]。

根据ATLAS官网^[5]的记录，至2020年11月1日为止，ATLAS发现的近地小行星数目是533，发现的危险小行星数目是57。

在探测到那些近地小行星与危险小行星后，ATLAS会继续密切监测它们。

对于那些确定会撞击地球并引发爆炸、地震或海啸的小行星，ATLAS项目组可以在其撞击地球之前至少几天发布预警，让落点附近会被影响到的人们可以及时疏散、躲避，甚至还可能有足够时间收拾细软后再跑路——就看你对天文学家预报的撞击时间的精确度有没有信心了。

正如John Tonry所说，如果2013年车里雅宾斯克上空的小行星在进入地球大气前能够被及时预报，当地人只需要提前打开窗户就可以避免窗户玻璃被震碎，也就可以免于被碎片击伤。

不过，2013年肇事的那颗小行星当时是从太阳附近的位置冲过来的，白天看不到，晚上望远镜背对太阳，也看不到，所以实际上是非常难被预测到的。但是，对于那些从其他方位冲过来的小行星，这样的预报足以挽救大量人的性命或者使很多人免于受伤。

构建全球监测网

看到这里，位于南纬45度以南的朋友们可能坐不住了：那我们怎么办？事实上，如果漏了从南纬45度以南撞击过来的足够大的小行星，遭殃的不仅仅是那片区域的人类——小行星撞击地球后产生的气候效应可能会影响到全球。

不过，不要急，ATLAS项目组于2018年获得380万美元基金，在南半球安装并运行2台望远镜^[7]，其中一台放在南非天文台，另一台放在智利，二者之间的距离比北半球那两个之间的距离大得多。两个望远镜之间距离非常大的好处是可以更精确测出小行星的距离，而且更容易避开天气的影响。

如果没有意外，南半球的这两台望远镜将在今年年底建成并投入使用，立即扫除南纬45度以南的盲区，使ATLAS成为全球望远镜系统。同时，由于南北的望远镜可观测的区域有大量重叠，到时候，4台望远镜只需要1晚上略多的时间就可以扫描全球上空4次。

4台望远镜不足以满足ATLAS项目组的雄心壮志。根据计划，ATLAS项目最终将由8台望远镜构成，分布于南北东西半球，构成一个更强大的全球望远镜观测网，还可以进一步提高扫描频率。

ATLAS: 多项全能望远镜

虽然ATLAS以监测足以威胁到地球的小行星为主要任务，但同时也可以观测更多人畜无害的小行星，确定它们的各种物理性质与化学性质，比如颜色、旋转、挥发性辐射与碰撞^[3]。

作为一款优秀的望远镜，ATLAS不仅可以监测小行星，还成为世界顶尖的超新星的猎手之一。超新星是大质量恒星或白矮星迅猛爆炸后产生的现象。

图：超新星SN 1993J的艺术想象图，SN 1993J是一颗大质量恒星爆炸的产物。来源：^[8]

据统计^[9]，2019年一年，共有15901颗超新星与61颗新星被地面上的望远镜发现。其中，ZTF^[注4]发现了5396颗，Pan-STARRS发现了4692颗，ATLAS发现了2158颗，分别位居前三。以覆盖全天区而闻名的巡天项目ASSASN^[注4]发现了210颗，位居第七。从2020年元旦到11月1日，这4个望远镜项目发现的超新星（与新星）的数目分别为6665、5168、2095与66。^[9]

对比去年与今年前10个月的数据，可以发现ZTF与Pan-STARRS发现的超新星数目都增加了，而ASSASN发现的超新星数目则显著降低（即使乘以6/5，也不足100颗），这可能是由于前两个望远镜争夺了更多超新星。ATLAS发现的数目未受到前两名的影响，与去年基本持平，稳居第三名，也是前三名中唯一的口径低于1米的望远镜。至2020年11月1日为止，ATLAS共发现了7033颗超新星^[5]。

当前非常热门的千新星，也是ATLAS的重要观测目标。千新星是中子星与中子星并合或中子星与黑洞并合后产生的的爆发现象，类似于超新星，但亮度比超新星的平均亮度低。

ATLAS已经与探测引力波的LIGO-Virgo联合组签订合作协议，当LIGO-Virgo发现中子星与中子星并合或中子星与黑洞并合前后非常短时间内发出的引力波信号之后，ATLAS就可以立即投入到后续观测中，搜寻可能伴随的千新星发出的可见光。

图：中子星并合的艺术想象图（上）与中子星并合之后产生的千新星的艺术想象图（下）。来源：^[10](上）、^[11](下）

ATLAS还可以用来观测发出/反射可见光的其他几乎一切种类的天体，如：各种亮度不断发生明显变化的变星、大小介于行星与小行星之间的矮行星、轨道扁长的彗星、各类恒星、活动星系核、伽玛射线暴的可见光"余辉"辐射、引力透镜现象，等等。至2020年11月1日为止，ATLAS共发现了53颗彗星^[5]，并观测了数以亿计的恒星^[3]。

虽然ATLAS已经很强大，但天文学家还在继续努力，构思着更多类似的甚至更强大的监测系统，甚至可能发射太空望远镜补上地球上的望远镜的观测盲区，构成一个疏而不漏的天网，不错过任何一颗危及地球的小行星。

这些强大的望远镜网络必将大大提升人类抵御撞击地球的小行星的能力，使人类尽量避过小行星撞地球引发的灾难，将伤亡数目减小到最小，甚至降低到零。此外，这些仰望星空的望远镜还能够为人类破解宇宙中各类天体的奥秘做出重要贡献。

文末彩蛋

今年北京时间7月23日，中国成功地发射了火星探测器“天问一号”。不久后，Mauna Loa岛的ATLAS-MLO拍摄到“天问一号”快速移动的轨迹，NASA的小行星观测账号 (NASA Asteroid Watch) 于美东时间7月24日发布了动图，并在推文的最后祝福天问一号：“Bon Voyage Tianwen-1（一路平安，天问一号）。”感谢NASA Asteroid Watch的祝福。

图：NASA Asteroid Watch发布的ATLAS拍摄到天问1号的图像的推文的截图。来源：^[12]

动图：由ATLAS-MLO在不同时间拍摄到中国的火星探测器“天问一号”的图像叠加而成的动图，见图中移动的红色十字中心的白点。来源：^[12]

ATLAS官网将这个推文放在首页的右侧，见下图（不过国内大多数用户一般无法看到这个推文的链接）。

图：ATLAS官网将ATLAS拍摄到天问1号的照片的有关推文放在首页的右侧。注意，顶端的图就是2013年划过车里雅宾斯克上空的火流星的图像。来源：^[5]

注释：

[注1] 例如，甘肃庆阳（当时属于陕西）的地方志曾记载：公元1490年春，庆阳上空发生爆炸，爆炸的石头碎片像雨点一样倾泻而下，最大的有鹅卵那么大，死者数以万计，这就是著名的“庆阳事件”。据推测，这也是一颗直径为50米的小行星进入地球后爆炸导致的，不过现代的研究者质疑这个记载的真实性。假如这次事件是真的，那么它与通古斯大爆炸的间隔仅仅为500多年。

[注2] 国内一些媒体将Terrestrial-impact 翻译为“陆地影响”，这样的翻译不确切。因为小行星撞击海面也会引发重大灾难，所以Terrestrial应该翻译为“地球的”，而不是“陆地的”；小行星对地球的危害在于撞击 (impact) ，如果将这个词翻译为“影响”，则太宽泛。

[注3] 不过，Pan-STARRS的优点是口径更大，1.8米，因此可以看到更远得多的小行星，可以与ATLAS互补。事实上，有一些天文学家同时在这两个系统工作。

[注4] ASSASN的全称是全天超新星自动巡天 (All-Sky Automated Survey for SuperNovae)，在全球多个地方部署了多组望远镜，每组4个，每个望远镜的口径为14厘米，覆盖全天。

[注5]  ZTF的全称是Zwicky暂现源设备 (Zwicky Transient Facility)，于2017年底开始运行。ZTF用以巡天的望远镜的口径是1.2米，单次拍摄的天区面积为47平方度，像素近10亿，每小时扫描3750平方度，极限星等为20.5等^[13]，7个小时就可以扫描完ATLAS可以扫描的区域，这使得它在发现新天体方面的能力比ATLAS更强。

参考文献/文章/网址

[1]Credit: Elizaveta Becker /ullstein bild via Getty (转引自：https://www.nature.com/articles/d41586-018-05969-2?sf195541225=1)

[2]Robert Marcus; H. Jay Melosh; Gareth Collins (2010). Earth Impact Effects Program. Imperial College London / Purdue University.

[3]J. L. Tonry, et al. ATLAS: A High-Cadence All-Sky Survey System, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Volume 130, Issue 988, pp. 064505 (2018).[4]https://blog.fallingstar.com/ 

[5]https://atlas.fallingstar.com/home.php

[6]https://atlas.fallingstar.com/how_atlas_works.php 

[7]Project that spots city-killing asteroids expands to Southern Hemisphere, Nature, 2018 , https://www.nature.com/articles/d41586-018-05969-2?sf195541225=1 

[8]Artist's impression of supernova 1993J, Credit：NASA, ESA, and G. Bacon (STScI),https://www.spacetelescope.org/images/opo1438a/

[9]www.rochesterastronomy.org

[10]Credit:NASA/Dana Berry

[11]Credit:NASA's Goddard Space Flight Center and CI Lab

[12]Credit:NASA

[13]https://www.ztf.caltech.edu/

编辑：王茹茹

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文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表22篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。

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