文／马克·布伊 译／刘晗

　　通过业余望远镜观测者的通力合作，观测者们可以发现贯穿整个太阳系的小天体细节。

　　你在用望远镜找什么呢？在找什么有用有趣的东西吗？既然如此，不妨试试去寻找掩食吧。掩食是指一个天体从另一个天体前面经过，把后面那个天体挡住了。这个概念跟日食一样：把我们的太阳换成遥远的恒星，把我们的月亮换成小行星或其他太阳系天体。假如在正确的时间出现在正确的地点，就能看到恒星短暂地从视野中消失。眼见一颗恒星消失一瞬，就像目睹日全食一样令人入迷。

　　不过，观测掩食可得多花点力气。比如说，总要用到双筒望远镜或小型望远镜。而且，如果想把这件事从趣味活动拔高到科学探索，可能还需要跟其他人一起合作才行。

　　放在几十年前，每年成功观测到掩食的次数用一只手都数得过来。但自从欧洲盖亚观测任务发布了那篇神奇的恒星目录后，一切都有了改变。就我个人而言，我认为盖亚观测项目当属有史以来最重要的太空望远镜观测项目之一。盖亚为我们提供了超精确的天体位置，把我们之前用于掩食的所有恒星都列了出来。现在可以根据这个目录准确预测出一颗微小的近地小行星或一个遥远的柯伊伯带天体（或介乎两者之间的任何天体）究竟何时会从恒星前面经过，也能预测出我们在地球上观测它的最佳位置。如今，每天晚上都能有不止一次成功的观测，大多数都是由国际掩食计时协会（IOTA）的成员做成的。不过，有干劲的人越多，有设备的人越多，能观测到的掩食数量也就越来越多。

　　有充分的理由让自己对这件事干劲满满。掩食所展现出的科学机遇是巨大的。只需眨几次眼，认真计时，小心合成，我们就能估计出整个太阳系内小天体的大小和形状，甚至在太阳系外100个天文单位之内的小天体都可以。这个距离是海王星与太阳的三倍。这些结果不仅支持行星探测任务，还让我们有机会接触到更多天体，比用航天器一个一个访问要多得多。

　　掩食101

　　观测掩食时，有可能会看到恒星消失的过程，也有可能看不到。这两个结果在科学上都很重要。前者能说明天体的位置和大小，后者说明你观测的地方什么都没有，这也侧面说明了天体的大小。在此过程中你所计量的是恒星消失的时间，以及恒星再次出现的时间。这种正像观测也叫弦测（前者那种能得到积极观测结果的过程也叫弦测）。把这些信息与观测地点，以及天体阴影在你所处位置上移动的速度结合起来，就可以在掩食轮廓边缘标记两个点。

　　弦测还是很有用的，尤其是对于第一次记录掩食的天体，而且弦测自己也能做。进行单次掩食弦测已经不是难事了。事实上，在过去一年的观测记录中，绝大多数都是这样的单次掩食弦测结果。

　　不过，要想对一个天体了解得更多一些，就需要进行多次弦测了。在天体掩食的不同位置添加多对观测弦端点，有助于增加弦测的数量。这些弦点可以提高空间分辨率，从而具体勾画天体的轮廓，揭示其形状和性质。

　　最早根据盖亚项目数据成功确定的掩食案例是2017年在阿根廷南部观测到的小行星阿罗科斯486958掩食。结合盖亚数据所计算出的恒星位置，加上哈勃空间望远镜对阿罗科斯的观测，我们能够在新视野号于2019年精彩飞越之前，对这个遥远的柯伊伯带天体进行多弦观测。掩食清楚地显示出有两个圆形物体粘在一起——后来新视野号在飞越时证实了这个掩食的形状像个扁平的雪人。

　　多弦掩食观测能够揭示的另一个结果是，可以通过小行星中心与恒星已知位置的距离来测量小行星在天空中的确切位置（甚至利用单弦观测也能实现这个目标，只不过精度较低）。我把这种测量称为掩食天体测量，它的精度比最好的地面望远镜还要高100倍，甚至比哈勃空间望远镜还高10倍。

　　观测位置好也能让轨道测量更准确，从而改善未来的掩食预测。科学家还可以在这些技术提升下帮航天器导航到目标，就像我们在新视野号飞越小行星阿罗科斯时那样。掩食工作直接为我们获取到了阿罗科斯分辨率最高的照片。

　　团队努力

　　要利用掩食获得天体的详细形状，最有效的方法就是与其他观测者协调合作。这就是我过去五年里一直在做的事情。我选定了一个科学探索的目标，确定了实验对象，汇集了设备和观测人员，领导了一场协同合作的观测活动。这些大型活动大多获得了航天器任务经费的支持，首先是新视野号，现在又有了露西号前往木星的特洛伊群小行星的任务。与航天任务的成本相比，掩食这场买卖划算得要命，但也算不得便宜。一般来说，一个三年的研究项目里所要耗费的时间、资金和人力成本大概是一次掩食合作观测活动的一半。尽管如此，从结果上来看，这件事还是值得的。

　　每一次掩食观测活动的特点都不一样，不过它们也有共性。观测活动的起点都是选择一个观测目标，预测它会从哪些恒星前方经过。这样筛选后，我们便确定下这次观测活动的基本要素了。天体的大概尺寸，加上预测阴影落在哪里的不确定性，决定了我们得在哪个范围安排观测人员。

　　比如说，假设我们要观测一个直径100千米的天体，其阴影位置的不确定性为200千米。为了达到99.7%的成功率——用天文学的表达，即3σ（其中σ是观测值与预测值之差）——观测团队分布的广度需达到1300千米以上。这个宽度不仅包含了阴影的大小，还要覆盖误差范围的三倍，包括预测中心线以上和以下的数据（换句话说，100+3×200×2=1300）。

　　下一个要素是确定我们想要的数据分辨率。如果我们的目标是两次弦测，那么团队之间的距离应该在50千米左右。把这些限制放在一起说明我们需要27个观测站。那么在这场观测活动中，我们希望这27个观测站中得有2个能观测到掩食。

　　虽然观测掩食带来的结果很有用，但这个结果也无法告诉我们天体的具体形状。不过这次初步尝试成功后，天体阴影位置的不确定性能下降大约10倍。这样一来，第二次观测掩食的站点分布范围就可以降至220千米了。要是还用这个27个观测站的团队，每个团队之间的距离只要在8.5千米就可以了，预计11个团队能看到掩食，能好好地获取到天体的形状。

　　确定这些观测团队活动需要做的事情后，我们就该招募观测人员了。参加过观测的人肯定是要联系一下的，与此同时，我也鼓励新的观测者参与进来。我的目标是让团队里有大约20%的人是没参加过观测组的新人。我会提供观测所需的所有设备；观测者只需对观测活动投入兴趣和时间。

　　一般来说，我们的观测活动为期四天。在第一天，每个人要与团队的其他成员见面，包括各自的观测伙伴。此外，还要做些基本培训，包括设置望远镜，以及操作相机等等。第一天晚上是常规观测，目的是让大家在夜里的某个特定时间点找到目标恒星。这第一项工作要求大家在同一地点完成，方便我们的技术支持团队与观测者进行交流，或按需提供其他培训。每天下午，我们都会额外举行情况介绍会，解决一些悬而未决的问题。

　　第二晚有点难。团队要分成小组，各自工作，相较第一晚需要更多的独立性。当晚的目标是要对目标恒星进行观测测试，做一个观测数据集，最好是与实际观测那晚的时间保持一致。

　　第三晚是观测彩排。到这一晚，每个小组现在都要独立操作，观测员会前往最终观测之夜要使用的场地。当天的目标是完全模拟第二天的观测行为，获取数据。等到了第四晚上，大家就都准备好了。

　　这个为期四天的观测安排非常成功，根据各位观测者的经验水平，设计得很有弹性。这次经历后，我们就能构建起一个自己的圈子：大家都能从集体活动中获得成就感，都能对最终的结果表示满意，而不只是局限在个人活动中。我深深感到，这些团队经验能为所有参与者提供更深层次的联系，最大限度地提高这次观测活动的科学价值。

　　近期成果

　　美国航天局的露西号是前往木星系统的任务，旨在解开木星的特洛伊群小行星的秘密。为了提高露西号的观测效率，我们先观测掩食，对任务目标进行初步侦察。共五个主要的观测目标：波利梅莱、勒克斯、奥鲁斯、尤里贝茨和帕特洛克鲁斯。这五颗小行星的直径从20千米到120千米（即12英里到75英里）不等，构成了多样的研究样本。我们收集到的这些关于小行星尺寸、形状和天体测量的信息对即将实行的航天器飞越计划大有裨益。

　　最令人兴奋的观测结果来自这五颗小行星中最小的家伙——波利梅莱。波利梅莱尺寸较小，亮度较暗，在所有观测目标中，对它所做的观测是最少的。光度测量显示，波利梅莱在旋转时，亮度会发生非常轻微的变化，很多人据此认为这颗小行星大概是球形的。2021年和2022年，我们先后获得了两次波利梅莱的掩食观测结果，如果它是球形的，那么根据两次观测结果所推算出的天体大小就不一样了。为了让两次算出的天体大小一致，光度曲线的振幅就必须要再大一点。

　　2023年3月，我们又进行了一次团体观测，这次对波利梅莱颇有争议的大小和形状终于有了定论。此次观测活动中，我先是安排了21个相互间距1.8千米的观测点，又在其中额外安插了14个观测点。所有站点都分散在从堪萨斯州到北卡罗来纳州能看到掩食阴影的路径上。这些观测点中，有28个站点获取到了能用的数据。由此获得的12个弦测结果显示，波利梅莱是一个细长的天体，长度是高度的两倍。在新数据的指导下，我们如今看到的波利梅莱的形状更像一个扁平的圆盘，其大小和长宽比与较大的小行星阿罗科斯瓣相似。

　　解开波利梅莱形状之谜的同时，我们还收获了一个巨大惊喜。两名观测者在数据中注意到了一个短暂的掩食现象，但这个掩食绝对不是波利梅莱的。我们很快意识到，我们在波利梅莱周围的轨道上看到了一种天体：特洛伊卫星。这绝对算得上是幸运女神的眷顾了，从此波利梅莱成为露西号所观测到的第三个有伴星的目标天体，除此之外，尤里贝茨有一个小卫星，帕特洛克鲁斯是双星。

　　我们给这颗卫星取了个昵称， 叫肖恩（Shaun，向动画片超级无敌掌门狗之宇宙里的小羊肖恩致敬）。根据此次发现的观测结果，肖恩的直径约为5至6千米，而波利梅莱的直径则为13×26千米，肖恩的轨道距离约200千米。

　　自这一发现以来，我们一直致力于再次找到它。要想看到肖恩，观测点的间距必须小于卫星的直径，不然就会在站点之间的缝隙里漏掉它。在我们2023年2月的观测活动中，我把间距定在了2千米，这样便有机会进行多个弦测，更重要的是，确保观测结果有所叠加，从而最大限度地减少由于设备故障而完全错过肖恩的可能。根据间距限制要求，我们的100个观测站点覆盖了200千米的待测区域。在一个观测目标上协调部署这么多望远镜，我估计这是前所未有的了。

　　2022年11月中旬筹备工作便开始了，当时我们还在忙着协调法国的观测任务，那次是要观测尤里贝茨和奥鲁斯。第一步是要购买29台新望远镜以及所有配件。由此我可分配的望远镜总数已达到了90台。其中一半是28厘米（11英寸）口径的星特朗CPC 1100施密特-卡塞格林望远镜，其余是信达的20厘米（8英寸）口径200P道布森望远镜，还有信达的40厘米（16英寸）口径波纹管400P道布森望远镜。在此基础上又额外增加了IOTA观测员，终于在美国的望远镜总数达到了95台，在西班牙和葡萄牙额外增加的观测员更加强了对波利梅莱的密切监控。

　　一切进行得都不顺利。供应链出现了问题，我们没法按时收到所需的设备。此外，到了1月中旬，我们只招募到了大约一半的观测员。于是我们又一次联系了已经投过招募的大学：密歇根大学、北亚利桑那大学、科罗拉多大学博尔德分校、中佛罗里达大学以及弗吉尼亚大学。截至活动前一周，有200名观测员报名参加，但在活动开始前的最后一周，约有50人退出了，人数又降到了不太够用的数值，这就危险了，因为我们已经没有时间开展额外招募了。

　　确定观测点是一个巨大的挑战。沿着从堪萨斯州西南部到底特律北部的一条狭窄带可以看到掩食。这条路上每一段都有自己独特的优点，但制定观测战略所要仰赖的是天气，而不是部署望远镜的难易程度。2月初这个时间段，在这个国家的这片地区，任何事情都有可能发生。总体气候和最近的天气统计数据表明，我们越往东走，天气可能会越差。另一方面，不管哪天晚上天气不好，相关地区都可能受到牵连。过早下决定会埋下隐患。提前了48到72小时的天气预报会比较准，据此我们制定了时间表。

　　我们在科罗拉多度过了头两个晚上。第一晚，大家聚在结冰的停车场，在刺骨的严寒中用90台望远镜完成了实践演练。当晚一片混乱，每个人都努力学习自己要用的仪器，然后再把所有东西都装进车里。第二晚没有那么冷，但也是一个巨大的挑战，每个人都在继续学习，继续练习。那天已进入正式观测前72小时，天气预报终于靠谱一些，预测说观测活动当晚，我们感兴趣的西部天区（离我们最近）会有逐渐浓密起来的云层。从地图上看，观测期间适合观测的区域在堪萨斯州萨利纳附近。

　　2月2日星期四，主题是长途跋涉。大家纷纷前往萨利纳，进行观测演练。设备方面的困难一直困扰着我们。2月3日星期五，这天的主题是解决这些问题，并确定团队当晚要去哪里进行观测。终于，夜幕降临，观测掌握在各位观测员的手中。

　　天气条件很稳定，分配计划也顺利进行。波利梅莱的阴影最终落点的预测大体上还是很准确的，美国和欧洲的观测员都成功测量到了这颗小行星的另一面轮廓，效果很好。那些在阴影路径上的观测员也很容易看到了掩食的发生。

　　后来，大家回到酒店，开始盛大的数据处理聚会。每个人都在问，我们看到肖恩了吗？直到散场，所有人都回家了，我们也不知道自己到底看见它了没有。两天后，一位观测员报告说，他们的数据中出现了一些有趣的东西。接下来就很简单了，我们迅速确认了自己的确再次成功发现了肖恩。

　　接下来要分析数据，看看观测结果能告诉我们关于波利梅莱和肖恩的什么信息。按照我们望远镜的安排，对于肖恩应该有三次正像观测。可惜的是，紧邻正像观测点北部和南部的观测站没收集到有用的数据。不过在这次观测中，一个正像结果就够了，尤其是可以和其他非直面观测结果相结合来看。

　　纷纷参与其中

　　这项工作并非完全没有挑战。从组织活动的层面来说，办这种需要密切协调工作的成本很高，基本上超出了传统研究资助的范围，我们也因此不得已要去寻求打破当前资助模式的新思路。从志愿者的角度来说，要学习如何使用这些设备，在天空中寻找那些不起眼的星星，这些都需要投入大量精力去练习。

　　尽管如此，人们对这类天文观测的热情还是只增不减，发现这一点后，我更是极尽努力为大家随时随地提供这些机会。截至目前，我们已有750余人参与过露西观测计划。这确实称得上是我见过的最好的全民科学事例。整个任务需要几乎所有参与者都扛起责任，尽一份力，活动结束时，每个人都能分享成功的喜悦，与其他观测者建立圈子，保持联系。离开时，大家都意犹未尽。

　　我建议已经摩拳擦掌想要加入观测的读者，先去occlutations.org网站利用IOTA学习如何独立观测掩食。在这项世界各国观测者都可以参与进来的大型活动到来之前，先攒一波经验。如果你对此感兴趣，日后想来参加活动，也可以在lucy.swri.edu/occlutations.html上浏览更多相关信息。没准哪天，我们能在现场相遇呢