ACTIVIDAD 10

Cálculo de las órbitas de asteroides tipo NEA

Por

Dr. Miquel Serra-Ricart. Astrónomo Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife.
Sr. Juan Carlos Casado. Astrofotógrafo tierrayestrellas.com, Barcelona.

 

 

 

1 – Objetivos de la actividad

El objetivo principal de la actividad es mejorar las variables de las órbitas de los Asteroides (especialmente los tipo NEAs) a partir de medidas astrométricas con imágenes tomadas en telescopios nocturnos de GLORIA (users.gloria-project.eu). Partiendo de las alertas obtenidas en los nodos de seguimiento de NEOs es posible obtener una lista de los asteroides tipo NEAs más idóneos para realizar el seguimiento. Con la actividad los alumnos aprenderán a:

 

– Aplicar una metodología para el cálculo de un parámetro astrofísico (coordenadas celestes de asteroides) a partir de un observable (imágenes digitales) como técnica de aplicaciones pedagógicas, documentales e investigadoras.

 

– Calcular la astrometría del asteroide, especialmente los NEAs, a partir las imágenes obtenidas con un Telescopio.

 

– Preparar y planificar la operativa de la observación: efemérides del asteroide, utilización de herramientas informáticas para su análisis.

 

– Trabajar cooperativamente en equipo, valorando las aportaciones individuales y manifestando actitudes democráticas.

 

 

2 – Instrumentación

La práctica o actividad se realizará a partir de imágenes digitales obtenidas mediante el TAD nocturno (Telescopio Abierto de Divulgación, http://www.ot-tad.com) o cualquiera de los telescopios nocturnos de GLORIA (http://users.gloria-project.eu).

 

También será necesario un ordenador con conexión a Internet, así como software de cartografía celeste, y el programa astrometrica para la reducción y cálculo de la astrometría.

 

 

3 – Asteroides

Los NEOs (del acrónimo en inglés NEO, Near Earth Object) son cuerpos de Sistema Solar (cometas y asteroides) cuyo perihelio (máximo acercamiento al Sol) es menor que 1,3 UA (Unidad Astronómica o distancia media Tierra-Sol aprox. 150 Millones de km), lo cual puede hacerles aproximarse a las cercanías de la Tierra con riesgo de impacto con nuestro planeta.

 

Los NEOs se clasifican en diferentes tipos:

 

Meteoroides. Son objetos cercanos a la Tierra con un diámetro menor a 50 metros.

Cometas. Llamados NEC (por las siglas de su nombre en inglés, Near Eath Comets), incluyen sólo los cometas de periodo orbital corto, inferior a 200 años.

Asteroides. Conocidos como NEA (por las siglas de su nombre en inglés, Near Earth Asteroid), constituyen la gran mayoría de los NEO y se clasifican en tres grupos, según las características de sus órbitas.

 

  • Grupo Atenas. Tienen un radio orbital medio inferior al terrestre (1 UA), con un afelio (máxima separación del Sol) mayor que el perihelio terrestre (0,983 UA), lo cual hace que generalmente estén dentro de la órbita terrestre.
  • Grupo Apolo. Su radio orbital medio es mayor que el terrestre (1 UA), con un perihelio menor que el afelio terrestre (1,017 UA).
  •  Grupo Amor. Tienen un radio orbital medio que está entre las órbitas de la Tierra y Marte y cuyo perihelio está entre 1,017 y 1,3 UA, es decir, ligeramente fuera de la órbita terrestre. Este tipo de asteroides suelen cruzar la órbita de Marte, pero no cruzan la de la Tierra.

 

Los NEC y NEA cuya distancia mínima de intersección de su órbita con la terrestre es de 0,05 UA o menor, se denominan respectivamente cometas potencialmente peligrosos o PHC, (por las siglas de su nombre en inglés, Potentially Hazardous Comets) y asteroides potencialmente peligrosos o PHA (por las siglas de su nombre en inglés, Potentially Hazardous Asteroids). Globalmente conocidos como PHO (de su acrónimo en inglés Potentially Hazardous Objects), estos cuerpos entrañan un relativo riesgo de impacto con la Tierra. Actualmente se conocen alrededor de 1.489  (Figura 1).

t1Figura 1. Imagen de radar del PHA 4179 Toutatis en su aproximación del año 1996, obtenida desde el Observatorio Goldstone, EEUU.

 

 

4- Metodología

 

4.1.- Astrometría

La astrometría es la rama de la astronomía cuya finalidad consiste en determinar la posición de un astro en el cielo.

La astrometría aplicada a la observación de cometas y asteroides permite conocer la posición exacta de estos en un momento determinado a partir de sus parámetros orbitales.

Actualmente el Minor Planet Center (organismo dependiente de la IAU, Unión Astronómica Internacional) es el centro encargado de recoger la astrometría que envían los observatorios astronómicos reconocidos (observatorios con código MPC) para poder determinar o actualizar las órbitas de los distintos objetos menores que orbitan en el sistema solar, ya sean cometas o asteroides. El MPC exige medidas astrométricas con una precisión por debajo del segundo de arco de error.

 

 

4.2.- Preparación Observaciones

 

1) Selección. Se prestará especial atención a determinados tipos de asteroides, especialmente NEAs. Partiendo de las alertas obtenidas en el nodo Europeo de seguimiento de NEOs (the Spaceguard Central Node,  o el de Estados Unidos (http://www.minorplanetcenter.org/iau/NEO/ToConfirm.html) los estudiantes podrán obtener una lista de los asteroides-NEAs más idóneos para realizar el seguimiento. A la hora de planificar la captura de un asteroide se debe tener en cuenta el movimiento aparente del mismo sobre el fondo de estrellas (especialmente si se trata de un NEA, de rápido movimiento aparente). Si no es posible seguir al asteroide (telescopio solo permite movimiento sidéreo), estamos limitados en el tiempo de exposición y/o de tomas del asteroide que podamos realizar.

 

2) Posición. Una vez seleccionado el asteroide, es necesario conocer su posición. El Minor Planet Center, en su sección de efemérides, ofrece la astrometría de los cuerpos menores identificados hasta la actualidad (http://www.minorplanetcenter.net/iau/MPEph/MPEph.html).

 

 

3) Verificación. Es imprescindible asegurarse de que hemos sido capaces de capturar el asteroide a medir (magnitud límite alcanzada), y de que somos capaces de advertir su movimiento respecto a las estrellas de fondo, para lo cual se necesitarán varias tomas consecutivas (al menos dos).

 

Necesitaremos que la toma de la zona del cielo que contenga el asteroide a medir cuente con el mayor número de estrellas posible, ya que la astrometría del asteroide se calcula a partir de las estrellas de referencia que aparecen en el campo del asteroide captado. Además debemos saber en qué momento exacto se realizó la toma (este dato ya se encuentra contenido en la cabecera del archivo de imagen FITS).

 

Repitiendo este proceso al cabo de un período de tiempo (de horas o días según el asteroide), iremos obteniendo las posiciones de dicho astro en el cielo, que servirán para poder calcular la órbita del mismo.

 

 

4.3.- Astrometría de Asteroides

Para la búsqueda y localización del asteroide se debe disponer de un software tipo planetario como el freeware Cartes du Ciel (www.ap-i.net/skychart/start) u otros comerciales (The Sky, Starry Night, Guide). Es necesario confirmar la localización del asteroide mediante imágenes sucesivas (como se ha indicado anteriormente) para detectar su movimiento entre las estrellas.

Además del programa de cartas celestes que se utilice, se necesita disponer de un software para efectuar la astrometría. Uno de los mejores y que permite enviar informes con el estándar MPC es Astrometrica (http://www.astrometrica.at).

También es necesario el uso de algún Catálogo estelar, preferentemente el UCAC2 o el USNO A2. Si no se dispone de esos catálogos, pero se cuenta con conexión a Internet, el programa Astrometrica descarga automáticamente la sección del catálogo USNO B1 que se necesite.

El objetivo es que la precisión en las mediciones sea <1” de arco, que es lo que exige el MPC para asignar a un emplazamiento fijo un código de observatorio.

Para comenzar en astrometría es aconsejable empezar a practicar con los asteroides numerados, ya que resulta fácil poder corroborar la precisión de las mediciones realizadas con sus elementos orbitales.

El funcionamiento de Astrometrica consta de varios pasos:

 

1) Configuración parámetros. Una vez instalado el programa, hay que configurar los parámetros del mismo (véase el documento http://www.astrometrica.at/Papers/Astrometrica- Settings.pdf para configurar adecuadamente los valores). Esto se hace seleccionando Settings en el menú File, o mediante el icono correspondiente bajo la barra de menús. Se abrirá una ventana con varias pestañas (figura 2):

t2Figura 2. Desde Program Settings de Astrometrica se introducen y configuran los parámetros necesarios para realizar la astrometría.

 

Observing Site. Consignar los datos del observatorio. MPC es el código que asigna el Minor Planet Center a los observatorios, si no se tiene ninguno, dejar XXX. El apartado Details es para el envío del informe, se puede dejar en principio en blanco. Para el TAD el código MPC es 954 que corresponde al del Observatorio del Teide.

 

CCD. Ingresar los datos técnicos del TAD (véase manual). Position Angle es el ángulo de rotación de la imagen. Si es 0 indica que el norte está arriba y el este a la izquierda. Pointing es el margen de error del apuntado. Flip Horizontal y Flip Vertical sirve para voltear la imagen horizontal y verticalmente, respectivamente (debe de estar conforme a la configuración óptica del telescopio).

 

Program. Aquí se encuentran los catálogos estelares (Star Catalog) para la comparación, así como los diferentes parámetros utilizados para la detección del asteroide, que deben ser variados si el asteroide no se detecta. Es aconsejable utilizar el catálogo USNO-B 1.0, que incluye objetos hasta la magnitud 21.

Environment. Ruta de los diferentes archivos y códigos de color asignados a los objetos. Catalogs. Ruta de los catálogos estelares descargados.

Internet. Parámetros para el acceso a los archivos del MPC y configuración del correo electrónico.

 

2) Descargar el archivo MPCOrb. Al instalar Astrometrica hay que bajar el archivo MPCOrb (desde el menú Internet, Download MPCOrb), que contiene los elementos orbitales del MPC (Minor Planet Center). El archivo MPCOrb.dat debe ser actualizado regularmente (menú Internet, Update MPCOrb).

 

3) Detectar y confirmar el asteroide. Para ello se abrirán varias imágenes (al menos dos), separadas un determinado tiempo (que depende de la velocidad aparente del asteroide en el cielo). Para abrir imágenes se accederá al menú File->Load Images o mediante el icono correspondiente de la barra de iconos. Una vez cargadas las imágenes se accede a Tools->Blink Images. El programa alineará las estrellas de las imágenes (inmóviles), mostrándose el movimiento o “salto” del asteroide (figura 3).

t3Figura 3. Movimiento del asteroide 243 Ida (señalado con la flecha roja) detectado mediante la superposición de varias imágenes tomadas consecutivamente (las estrellas aparecen puntuales).

 

 

4) Abrir la imagen. Se carga la imagen (formato FITS) que contiene el asteroide. Se pueden utilizar imágenes de calibración (darks y flats). En el ejemplo, se trata del asteroide 243 Ida (Figura 4).

t5Figura 4. Carga de la imagen con lectura automática de los datos de fecha y hora.

 

El programa lee los datos de fecha y hora de la toma, los cuales se han de confirmar (OK).

 

5) Reducción astrométrica. El programa utiliza en este caso el catálogo USNO B1, que consulta a través de Internet. Para ello se accede a la opción Data Reduction del menú Astrometry o mediante el icono correspondiente de la barra de iconos. Aparece una ventana con la lectura para introducir las coordenadas aproximadas de la imagen o el nombre del objeto (Figura 5).

t5Figura 5. Ventana para introducir el nombre del asteroide.

 

 

Como se trata en este caso del asteroide 243 Ida se utiliza el botón de la derecha de la ventana Object, que da acceso al archivo MPCOrb. Para ello en la ventana de búsqueda introduciremos el nombre del asteroide (Ida) (Figura 6).

t6Figura 6. Ventana de búsqueda de objetos del archivo MPCOrb.

 

 

Si la configuración de Astrometrica ha sido correcta, aparecerá en la imagen estrellas con círculos verdes, que corresponden a las estrellas detectadas y cuya posición en la imagen coincide con la que debería tener en el catálogo USNO B1. Las estrellas con círculos amarillos son estrellas no detectadas, generalmente ruido en la imagen.

En la parte inferior de la imagen se despliega una ventana con los resultados de la reducción, llamado Data Reduction Results, con la siguiente información (Figura 7):

t7Figura 7. Imagen con estrellas detectadas. En la parte inferior aparecen los datos relativos a la reducción de la imagen.

– Image: Nombre del archivo de imagen. -Detections: Número de estrellas detectadas. -Ref. Stars: Estrellas que Astrometrica va a utilizar como estrellas de referencia. -Ref/ Ast: Estrellas seleccionadas para el cálculo astrométrico (se puede cambiar el criterio en Settings). Astrometrica descarta por defecto como estrellas de referencia aquellas cuyos residuales sean superiores a 1”. Asimismo, Astrometrica necesita como mínimo detectar 6 de estas estrellas para poder realizar la reducción. –dRA y dBE: Valores residuales de las estrellas en Ascensión Recta (AR) y Declinación (DEC) respectivamente. Es el promedio de los valores absolutos de las diferencias entre las posiciones del catálogo y las medidas. Es un buen indicio de la precisión obtenida en la imagen. -Ref/Phot: Estrellas tomadas como referencia por el programa para calcular la fotometría.

– dMag.: Diferencia en magnitud de las estrellas medidas y el catálogo de referencia.

En la barra inferior de la ventana del programa se puede observar que el programa no solo lee la posición (x, y) así como la distancia del píxel del cursor, sino que también calcula la posición en AR, DEC y la magnitud.

 

6) Posicionar el asteroide. Hay que indicar que objeto es el asteroide que se está estudiando. Para ello se clica sobre él (puede ser de utilidad utilizar la herramienta lupa) (Figura 8).

t8Figura 8. La ventana Object Verification muestra diferentes datos de imagen y astrométricos del objeto.

 

Aparece un cuadro que muestra el objeto seleccionado ampliado. En Information se muestra el nombre del archivo, fecha y hora de la imagen, posición medida y magnitud estimada. A la derecha aparece el análisis del perfil del objeto a través de la función Point Spread Function o PSF (Función del perfil de un punto, normalmente una gaussiana) cuyo parámetro principal es la FWHM (Full Width at Half Maximum, Anchura a Altura Mitad) que es el ancho de la función donde el flujo o luminosidad (que se mide en cuentas o ADU/píxel) toma la mitad del valor máximo (véase Unidad Didáctica Webcam y CCD). En términos astronómicos la FWHM (que aparece medida en segundos de arco) se conoce como seeing y es una medida de la calidad de la observación (menor FWHM mejor)

Es importante verificar siempre la SNR (relación señal-ruido SNR: Signal to Noise Ratio) del asteroide, debiendo descartarse las imágenes en las que el objeto a medir tenga una SNR muy baja. Se recomienda no enviar medidas al MPC si la SNR<7.

Finalmente se clica el botón inferior que aparece junto a la ventana Object Designation y se despliega una ventana denominada Object Verification que da la posición medida y la magnitud, y despliega los nombres de los objetos que según el archivo MPCOrb se encuentran en el área (Figura 9).

 

t9Figura 9. El programa lista los asteroides que se encuentran en la zona. Se debe seleccionar aquel que se desea medir.

 

En este ejemplo se selecciona el asteroide 243 Ida, y se acepta su identificación presionando el botón OK. El asteroide identificado pasa al cuadro de Object Designation. Al clicar Accept queda medida la posición del asteroide (Figura 10).

t10Figura 10. El asteroide queda marcado y su posición astrométrica registrada.

Esta posición ha quedado automáticamente registrada en el formato de 80 líneas del MPC y se puede consultar en la ventana FileView MPC Report File (Figura 11) . Si se dispone de un código asignado por el MPC, este es el informe que se enviaría.

El informe es un archivo de texto en formato estandarizado de 80 columnas utilizado por el MPC. En el caso del ejemplo (figura 11) la explicación es la siguiente:

 

 

00243 C 2009 08 21.91587 20 31 31.83 -19 04 35.1 14.0 R XXX

Designación del asteroide Indica que la imagen fue obtenida mediante CCD Fecha con el día en formato de fracción Ascensión Recta del asteroide Declinación del asteroide Magnitud aparente y filtro utilizado Código MPC del observatorio

t11Figura 11. Archivo de texto generado por el programa en el formato estándar MPC, conteniendo los datos astrométricos del asteroide.

 

Herramienta Track & Stack. Esta función de Astrometrica resulta interesante, ya que efectúa una reducción de una serie de imágenes de un cometa o un asteroide, y luego realiza el apilado de todas las imágenes sobre el objeto en cuestión (Figura 12). A diferencia de otros programas donde se les debe marcar en cada imagen cual es el objeto, Astrometrica solo requiere que se le indique cuál es el asteroide, y de la base de datos determina su velocidad y ángulo de posición.

t12Figura 12. Mediante la función Track & Stack el asteroide aparece puntual, mientras las estrellas se muestran como trazos en la dirección del movimiento aparente del asteroide.

 

 

Esto tiene una gran utilidad ya que permite que objetos que no aparecen en una toma individual debido a que son demasiado débiles (indistinguibles del ruido de la imagen), después de realizar la suma de imágenes, aparezcan y/o mejore su SNR lo suficiente para poder ser medidos con precisión.

Para utilizar esta función se accede en la barra de herramientas el menú Astrometry, Track & Stack o el icono correspondiente de la barra de iconos.

 

 

— Resultados —

Dentro del Sistema Solar los Asteroides y especialmente los tipo NEA (objetos con órbitas cercanas a la Tierra) son importantes tanto desde el punto de vista científico como social. Por un lado una buena caracterización de una muestra estadísticamente significativa de asteroides permitiría responder a interrogantes sobre la formación de los sistemas planetarios, y por otro, la posibilidad de una colisión de un NEA con nuestro Planeta le da una dimensión social importante al estudio.

 

Hoy en día conocemos un total de 11000 NEAs (última actualización julio 2014) y sabemos que la población de NEA con diámetros por encima del kilómetro están todos descubiertos. Sin embargo es muy importante desarrollar programas de seguimiento de asteroides tipo NEA por dos principales motivos:

 

1) Caracterización de órbitas. Para definir bien la órbita de un NEA es necesario realizar varias observaciones en distintas noches. Si después de descubrir un NEA no se observa corremos el riesgo de perderlo y no poder recuperarlo.

2) Seguimiento de NEAs conocidos. Es importante realizar un seguimiento de NEAs conocidos, especialmente los de tipo PHA, pues cualquier alteración en sus parámetros orbitales puede incrementar la probabilidad de impacto con la Tierra.

El centro encargado de la gestión de los datos de asteroides procedentes de las observaciones es el MPC -Minor Planet Center minorplanetcenter.net – (organismo dependiente de la IAU, Unión Astronómica Internacional). Los datos astrométricos se envían directamente desde los programas de reducción.

 

 

 

5 – Referencias

 

ref1 – Unidad Didáctica Observaciones Astronómicas con Webcam y CCD: http://www.astroaula.com/mat/unidades/unicam.pdf

ref2 – Minor Planet Center: http://www.cfa.harvard.edu/iau/MPEph/MPEph.html

ref3 – Generador de Efemérides  asteroides:
http://www.minorplanet.info/PHP/call_OppLCDBQuery.php

ref4 – Efemérides Horizons del JPL: http://ssd.jpl.nasa.gov/horizons.cgi

ref5 – Proyecto NEOs de NASA http://http://neo.jpl.nasa.gov/