NASA的下一代小行星撞擊監測系統「哨兵-II」投入使用
迄今為止，近地小行星（NEA）已經被不斷掃描夜空的巡天望遠鏡發現了近28000個並以每年約3000個的速度增加。 但隨著更大、更先進的巡天望遠鏡在未來幾年內搜索力度的加大，預計發現的小行星將得到迅速的增加。
為了應對這種增長，NASA天文學家們已經開發了一種名為”哨兵-II（Sentry-II）”的下一代撞擊監測演演算法，從而更好地評估NEA撞擊概率。
流行文化通常將小行星描述為混亂的天體，它們在我們的太陽系周圍胡亂地放大、不可預測地改變路線並在不經意間威脅我們所生活的星球。 然而這並不是現實。 實際上，小行星是極其可預測的天體，它們遵守物理學定律並遵循可知的繞太陽軌道。
但有時，這些路徑可能非常接近地球的未來位置，由於小行星位置的微小不確定性，不能完全排除未來的地球撞擊。 因此，天文學家需要使用複雜的撞擊監測軟體來自動計算撞擊風險。
由位於南加州的NASA噴氣推進實驗室管理（JPL）的近地天體研究中心（CNEOS）會計算每一個已知近地天體軌道以此來改善撞擊危險評估，進而為NASA行星防禦協調辦公室（PDCO）的工作提供支援。 據悉，CNEOS已經用JPL在2002年開發的名為 「哨兵（Sentry）」的軟體監測了NEA所帶來的撞擊風險。
Javier Roa Vicens表示：”第一版’哨兵’是一個非常有能力的系統，已經運行了近20年，。 它是基於一些非常聰明的數學（打造）。 在一個小時內，你可以可靠地得到一個新發現的小行星在未來100年內的撞擊概率–這是一個不可思議的壯舉。 據悉，Vicens在JPL擔任導航工程師時領導了”哨兵-II”的開發工作，最近他的陣地轉移到了SpaceX。
但有了「哨兵-II」，NASA有了一個可以迅速計算出所有已知NEA的撞擊概率的工具，其中包括原始哨兵系統沒有捕捉到的一些特殊情況。 “哨兵-II”在CNEOS”哨兵”表中報告風險最大的天體。
通過以這種新方式系統地計算撞擊概率，研究人員使撞擊監測系統變得更加強大、使NASA能夠自信地評估所有潛在的撞擊–其幾率低至1000萬分之幾。
特殊案例
當一顆小行星在太陽系中旅行時，太陽的引力決定了它的軌道路徑，而行星的引力也會以可預測的方式拉扯它的軌跡。 “哨兵”系統對這些引力如何塑造小行星的軌道進行了高精度的建模以幫助預測其在未來很長時間內的位置。 但它無法解釋非引力，最重要的是由太陽的熱量引起的熱力。
隨著小行星的旋轉，太陽光會加熱天體的日面。 被加熱的表面隨後會旋轉到小行星的陰暗面並冷卻下來。 紅外線能量在冷卻時被釋放出來，在小行星上產生一個微小但持續的推力。 這種現象被稱為雅爾科夫斯基效應（Yarkovsky Effect），它在短期內對小行星的運動影響不大，但在幾十年和幾個世紀內可以大大改變其路徑。
JPL導航工程師Davide Farnocchia指出：”‘哨兵’無法自動處理雅爾科夫斯基效應則成為了它的一個限制。 每當我們遇到一個特殊情況–如小行星Apophis、Bennu或1950DA–我們不得不做複雜而耗時的人工分析。 有了『哨兵-II』，我們就不必再這麼做了。 據悉，Farnocchia也曾幫助開發過「哨兵-II」。。
最初的「哨兵」演算法面臨的另一個問題是，它有時無法準確預測跟地球發生極度近距離接觸的小行星的撞擊概率。 這些NEA的運動會被我們星球的引力大幅偏移，而遭遇后的軌道不確定性會急劇增加。 在這些情況下，舊版”哨兵”的計算可能失敗，這時候就需要人工干預。 而”哨兵-II”沒有這種限制。
“就數位而言，我們會發現的特殊情況是我們計算撞擊概率的所有NEA中非常小的一部分，但當NASA計劃中的近地天體探測器任務和智利的Vera C. Rubin天文台上線後，我們將發現更多這樣的特殊情況，所以我們需要做好準備，”Roa Vicens說道。
許多針頭，一個乾草堆
這就是撞擊概率的計算方法。 當望遠鏡跟蹤一個新NEA時，天文學家會測量小行星在天空中的觀測位置並將其報告給小行星中心。 然後，CNEOS使用這些數據來確定小行星最可能圍繞太陽的軌道。 但由於小行星的觀測位置存在輕微的不確定性，所以它的最可能的軌道可能不代表它的真實軌道。 真正的軌道是在一個不確定的區域內的某個地方，就像圍繞著最可能的軌道的一團可能性。
為了評估是否有可能發生撞擊並縮小真實軌道的範圍，最初的「哨兵」將對不確定區域的演變方式做出一些假設。 然後，它將沿著橫跨不確定區域的一條線選擇一組均勻分佈的點。 每一個點都代表著小行星的一個略微不同的可能的當前位置。
然後「哨兵」將把時鐘向前拉以觀察這些繞著太陽運行的虛擬小行星是否有可能在未來靠近地球。 如果是這樣就需要進一步的計算來進行”放大”處理，進而看看是否有任何中間點可能會撞擊地球，如果有就要估計撞擊的概率。
“哨兵-II”有一個不同的理念。 新演算法對數千個隨機點進行建模，不受任何關於不確定區域如何演變的假設限制;相反，它在整個不確定區域選擇隨機點。 然後，「哨兵-II」的演算法會問：「在不確定區域內有哪些可能的軌道？ 在整個不確定區域內有哪些可能的軌道可以撞擊地球？ ”
這樣一來，軌道確定的計算就不會被預先確定的假設所左右，即不確定區域的哪些部分可能會導致可能的撞擊。 這使得「哨兵-II」能夠鎖定更多概率極低的撞擊情況。
Farnocchia把這個過程比作在乾草堆中尋找針頭。 針是可能的撞擊情況，而草堆是不確定的區域。 小行星位置的不確定性越大，乾草堆就越大。 “哨兵”將隨機地在乾草堆上撥動數千次以尋找位於延伸到乾草堆中的一條線附近的針頭。 當時的假設是，沿著這條線是搜索針頭的最佳方式。 但「哨兵-II」沒有假設任何線，而是在乾草堆中隨機拋出數千塊小磁鐵，這些磁鐵迅速被吸引，然後找到附近的針頭。
“哨兵-II在尋找巨大範圍內的微小撞擊概率方面是一個了不起的進步，”JPL高級研究科學家Steve Chesley說道，”當未來小行星撞擊的後果如此之大時，找到隱藏在數據中的哪怕是最小的撞擊風險也是值得的。 ”。 Chesley領導了哨兵系統的開發並參與了哨兵-II的合作。
一項描述哨兵-II的研究已於2021年12月1日發表在《Astronomical Journal》上。