Как обнаружить астероиды с помощью алгоритмов
Рисунок 1: Визуализация астероидов в главном поясе астероидов Солнечной системы. Круги представляют собой орбиты Меркурия, Венеры, Земли, Марса и Юпитера (см. эту анимацию Алекса Паркера на YouTube).(Щелкните, чтобы увеличить изображение.) Хорошо известны восемь планетарных обитателей Солнечной системы (извините, Плутон!). Но в дополнение к ним есть миллионы других, более мелких объектов, проносящихся в пространстве между большими планетами. Эти «малые планеты» представляют собой тела размером от нескольких десятков метров до тысяч километров. Большинство из них населяют два разных региона Солнечной системы. Миллионы более мелких каменистых тел — астероидов — в основном находятся в области между Марсом и Юпитером, главном «поясе астероидов». Дальше за орбитой Нептуна находится область карликовых планет — более крупных ледяных тел, некоторые из которых приближаются по размеру к нашей Луне.
Малые планеты могут многое рассказать нам об истории и эволюции Солнечной системы. Что касается наблюдений за астероидами, мы можем сделать вывод, что в начале истории Солнечной системы планеты должны были быть расположены гораздо более плотно. По мере того как Солнечная система расширялась, она временно становилась нестабильной, что могло привести к выбросу планеты в процессе и заставлению Урана и Нептуна поменяться местами (Gomes, Levison, Tsiganis and Morbidelli, 2005). Сегодня кластеризация орбит карликовых планет указывает на заманчивую возможность того, что где-то на окраине Солнечной системы все еще прячется еще одна крупная планета (так называемая «Планета X»). Ближе к дому мы знаем, что некоторые из этих астероидов время от времени сталкиваются с планетами — считается, что последнее крупное столкновение с Землей уничтожило динозавров около 65 миллионов лет назад.
Вот некоторые из причин, по которым учет астероидов и карликовых планет в Солнечной системе стал одним из главных приоритетов как для НАСА, так и для Национального научного фонда! Как мы обнаруживаем эти объекты? Они слишком малы, чтобы их можно было разглядеть в наши телескопы, и кажутся звездообразными; что отличает их от звезд, так это то, что они движутся. Сделав один снимок сегодня вечером, а другой через несколько ночей, мы увидим, что «звезда» сдвинулась: это вовсе не звезда, а малая планета.Это то, что мы называем «связыванием» — установление того, что объект, который мы наблюдали сегодня, сдвинулся и является тем же самым объектом, который мы видели несколько ночей назад. Для чего-то вроде наших больших планет этот процесс связывания был бы простым — в конце концов, их всего восемь (опять же, приношу свои извинения Плутону), и мало шансов перепутать (скажем) Марс с Юпитером.
Рисунок 2: Как сегодня находят астероиды? Телескоп должен повторно наблюдать за одним и тем же участком неба не менее двух раз за ночь, чтобы произвести пару обнаружений. Эти пары, называемые «треками», соединяются в течение нескольких ночей в изогнутые «дорожки», пока не будет достаточно доказательств того, что все они принадлежат одному и тому же объекту.
Но современные телескопы (такие как Большой синоптический обзорный телескоп (LSST) будут способны наблюдать за примерно шестью миллионами малых планет, и в таком масштабе начнет царить путаница. Связывание становится затруднительным: любой объект, наблюдаемый сегодня, может быть одним из десятков тысяч объектов, увиденных вчера, или сотен тысяч увиденных недель назад.Число возможных комбинаций растет экспоненциально (порядка 10 21 , для LSST!)
Чтобы обойти эту проблему, в исследованиях по обнаружению астероидов применяется особая частота наблюдений. Как правило, одно и то же поле повторно посещается несколько раз за ночь для создания «треков»: векторов плоскости неба, состоящих как минимум из двух обнаружений, которые ограничивают положение и скорость объекта.
Затем их относительно просто связать с объектами, наблюдавшимися прошлой ночью, поскольку информация о направлении и скорости движения резко сокращает количество комбинаций, которые нам нужно проверить (Кубица, 2007 г., Джонс и др., 2018 г., Холман и др.). 2018). Это то, что почти все современные программы поиска астероидов делали в прошлом и планируют делать в будущем (рис. 1).
Однако у этого подхода есть существенные недостатки. Поскольку телескоп должен возвращаться в одно и то же поле дважды за ночь, область неба, в которой можно искать астероиды, фактически сокращается вдвое.Это приводит к неприятной ситуации, когда, построив телескопы стоимостью в сотни миллионов долларов, мы можем управлять ими всего на 50% от их потенциальной эффективности!
Во-вторых, данные с телескопов, которые не ведут наблюдение с такой частотой, в том числе архивные наборы данных за многие десятилетия, не подходят для поиска астероидов с помощью нынешних алгоритмов. Это оставляет много (в противном случае полезных) данных для поиска астероидов.
Рисунок 3: Как THOR находит астероиды: после преобразования в гелиоцентрическую систему отсчета, которая следует за тестовыми астероидами, движения соседних объектов отображаются в виде линий (обнаруживаемых с помощью обобщенного преобразования Хафа в сочетании с алгоритмом кластеризации).
Вот где лучшие алгоритмы могут прийти на помощь! Йоахим Мойенс, аспирант кафедры астрономии и научный сотрудник IGERT, Джес Форд, бывший постдокторант WRF по инновациям в науке о данных в Институте электронных наук, Марио Юрик, старший научный сотрудник по данным, и его коллеги по интенсивным исследованиям данных UW в Институт астрофизики и космологии (DIRAC) недавно представил новый алгоритм под названием THOR (для «Восстановления гелиоцентрической орбиты без следа»: Moeyens, Juric and Ford 2018), в котором используются преобразования координат и методы кластеризации для уменьшения количества комбинаций, необходимых для проверены на вычислительно приемлемых уровнях. Работа над этим алгоритмом была начата Фордом и недавно завершена Мойенсом.
THOR начинает с определения набора (умело расположенных) «тестовых астероидов»: воображаемых тел, которые движутся через Солнечную систему по орбитам, подобным тем, которые можно было бы ожидать для типичного астероида или карликовой планеты. В качестве следующего шага алгоритм преобразует положения всех других ближайших наблюдений в то, как они будут видны не с Земли, а из системы отсчета с центром на Солнце и следующей за этим тестовым телом.
Если смотреть с Земли, движения, наблюдаемые в небе, представляют собой сложные кривые (из-за движения как астероида, так и самой Земли), что затрудняет связь. Но если смотреть в этом преобразованном пространстве, они превращаются (примерно) в прямые линии! Это превращает нашу задачу о соединении астероидов в один эквивалент поиска отрезков прямой — задачу с богатой историей (и многочисленными решениями) в областях от компьютерного зрения до экспериментальной физики элементарных частиц.
На данный момент THOR был протестирован на моделировании и показал, что он восстанавливает 95% наблюдаемых объектов. Наша текущая реализация позволяет нам исследовать большую часть пояса астероидов с относительно небольшим количеством тестовых орбит. Далее мы будем применять этот новый алгоритм к реальным данным, особенно к данным Zwicky Transient Facility (ZTF) (см. также страницу UW ZTF), которая в настоящее время является крупнейшей действующей оптической съемкой во временной области.
С запланированным обобщением на другие группы населения (особенно на объекты, сближающиеся с Землей — те, которые потенциально могут воздействовать на Землю), этот алгоритм может позволить любому телескопу и любому обзору эффективно служить «машиной для поиска астероидов». Это ускорит перепись Солнечной системы, что приведет к лучшему пониманию ее истории и современной структуры, а также опасностей, которые эти тела представляют для Земли. И, как мы сказали в недавнем реферате на заседании Отделения планетарных наук Американского астрономического общества, чтобы, наконец, возьми молоток к необходимости треклетов.
Исследования Марио Юрика, Йоахима Мойенса, Джеса Форда и др. Для получения дополнительной информации свяжитесь с Юриком по адресу mjuric(at)astro.washington.edu.
Опубликовано 2 ноября 2018 г.
