QHYCCD助力NASA新视野号团队MU69掩星观测

伤风学长

#关注MU69掩星观测 NASA的新视野号行星探测器在前年成功飞掠冥王星，获得了冥王星的高清晰照片以后，进入更为遥远的柯伊伯带，2019年新年（1月1日），在距地球六十亿千米之遥，新地平线号将以56000公里的时速将经过一颗名为2014MU69的柯伊伯带小天体，对其进行观测。
新视野号飞临MU69小行星的艺术想象图，图片来自NASA新视野号网站

2014年MU69是三年前发现的，由于发现时间较短，科学家们对这颗小天体的具体情况知之甚少，而在今年接下来的两个月里面，6月3日，7月10日和7月17日科学家们将有三次绝佳的机会，通过2014MU69的小行星掩星的天象，对这颗神秘行星进行初步的观测，以期了解这颗行星的一些基本特性，例如行星的准确尺寸，形状，是否具有环围绕，以及是否具有卫星等，以便 安排进一步的飞行探测计划，并了解飞行过程是否存在潜在的安全风险。
小行星掩恒星犹如日食。日食是月球运行到太阳和地球之间，将太阳的光芒挡住，在地球上形成一个阴影区域。而小行星掩恒星，则是小行星运行到地球与一颗恒星之间，在地球上也形成一个阴影区域。由于恒星非常遥远，可以认为是平行光，因此小行星掩恒星所形成的阴影区域的尺寸刚好和小行星的尺寸一样。通过对这种天象的观测，可以为科学家提供遥远小行星的各种信息。
下图是掩星观测的原理图示。小行星遮挡背景恒星产生的阴影，阴影区域因为小行星的运动，会在地面上高速运动。从而形成一个掩星带。（图片来源于国际掩星协会网站）

下图中每一条线段代表一个位于该线段上的观测点产生的背景恒星亮度曲线。当小行星挡住被掩食恒星时，恒星的亮度降低。当把一系列不同观测点的曲线联系起来，小行星的形状就能体现出来了。如果这颗小行星周围还存起卫星，或者有其他结构，也能从体现出来。这张图片来源于IOTA国际掩星协会网站，显示了2011年7月19日对小行星安提俄珀的观测结果，可以看到，这是一颗双小行星。

柯伊伯带小行星2014MU69的尺寸约在40公里左右，根据小行星的速度，可以计算出在地球上某一地点，掩星所持续的时间约为2秒左右，虽然非常短暂，但是借助于新型的天文观测设备，也可以获取非常多的宝贵的信息了。但是掩星观测的挑战不仅于此，由于小行星所形成的阴影区域也只有40公里，轨道计算可谓失之毫厘谬以千里。
2017年6月3日的掩星带会经过南非和阿根廷，NASA的新视野号团队准备了22台新的40cm口径便携式望远镜，以及20多台掩星带所经过的天文台的固定式地面望远镜进行观测。由于2014MU69这颗小行星是三年前发现的。关于它的很多轨道信息仍然有很大的不确定性，他们计划每10-25公里布一个站点，从而形成一个较大范围的光学栅栏，也就是通俗所讲的“拉网式排查”。为了避免天气条件的影响，他们将设备部署到了两个地点，分别位于南非和阿根廷，即使一个地点的天气有云影响观测，也能从另外一个地点的观测中获得图像。
下图为2017年6月3日的掩星带穿越路径，版权：Lowell天文台 Larry Wasserman

而2017年7月10日掩星的观测，NASA将动用一个大家伙加入：SOFIA红外飞行天文台加入观测。SOFIA红外空间天文台是一架特制的波音飞机，装配了一台口径为2.5米的望远镜。由于飞行在高空，因此可以避免云层对掩星观测的影响。
SOFIA红外飞行天文台（图片来源于NASA网站）

值得一提的是，这次观测的22台主力望远镜的成像终端，采用了22台位于清华科技园的中国天文相机研发团队QHYCCD研制QHY174GPS高速高精度时域成像相机。这款相机分辨率为1920*1200，在全分辨率下，帧率可达135帧每秒，因此在2秒多的掩星时间内，仍然可以获两百多张图像，除了量子效率为78%的高灵敏度外，这款相机的最大特色是相机内置了一个GPS模块，将GPS的高精度时间基准信号引入到探测器驱动电路中，从而实现了分辨率为0.1微秒，精度可达1微秒的高精度时间基准成像。由于有了这个设计，即使两个相机在地球上即使相距千里，仍然能够实现在同一微秒的时刻进行拍摄。这款相机在高速天文视频相机中首次引入了1微秒精度的时间基准信号，而掩星的观测，时间基准的准确性将直接影响到测量的精度，因此这款高精度时间同步相机能为这次NASA的掩星观测数据提供更高的精度。
下图为QHY174COOL-GPS相机


目前，根据项目组成员在社交网站上公布的消息，观测组成员已经分别达到南非和阿根廷，已经部署好设备
下图为部署在Cape Town的一套观测设备，口径400mm牛顿反射式望远镜和QHY174GPS相机，图片来自社交网站

关于这次观测活动的进程，QHYCCD将收集相关信息，随时向大家发布。大家也可以通过这个活动感受一下天文研究和探索的有趣过程。