基于百年历史观测数据开展海卫一轨道改进和动态物理特性研究

Studies have shown that Triton is probably the KBO captured by Neptune. With its special characteristics of close to Neptune, massive mass and retrograde orbit, Triton has significantly affected the original satellite system of Neptune. Since 1989, interesting characteristics of global warming, active volcanoes and subsurface oceans have been founded by Voyager2, HST and ground-based telescopes. There are two problems in research of Triton, first is low accuracy of the historical observation data, and second is uncertainty of its dynamic physical characteristics. In this proposal, three works will be done. 1. Recalculating over 20 years historical observation data with new Gaia catalog and observing Triton to get new positions, photometry and spectroscopy; 2, Using all available observational data and new models to improve orbit of Triton and study its orbit evolution; 3, Explore and study the relationship between its long-term light change and dynamic physical properties. This project will extend research fields of natural satellites, and can provide scientific support for the exploration of KBO and the satellite mechanisms captured by large planets.

已有研究表明海卫一可能是海王星捕获的柯伊柏带天体。由于海卫一靠近海王星、轨道逆行、质量较大，因此显著影响到海王星原有的卫星系统。自1989年以来，旅行者2号、哈勃望远镜和地面望远镜观测发现海卫一存在全球变暖、有活动火山及地下海洋等多个独特性质，使其成为柯伊柏带天体的样本而得到广泛关注。本项目针对目前海卫一历史资料处理结果精度较低、诸多动态物理特性变化规律尚待证认的现状，拟开展以下研究：1、使用最新的Gaia星表重新归算申请人团队20余年海卫一历史资料，并开展新的定位、测光和光谱观测；2、使用目前可获得的所有历史观测数据（1847-2017年）和最新的动力学模型，改进海卫一的轨道并研究其轨道演化特征；3、基于历史测光数据和新的光度光谱测量结果，探索研究其长期光变与动态物理特性之间的内在关系。本项目将拓展国内天然卫星的研究领域，为将来开展柯伊柏带天体探测、大行星捕获卫星机制研究等提供科学依据。

项目执行期内，项目组在海卫一的高精度定位观测、图像处理与分析、轨道理论研究及测光探索试验方面开展了深入的研究，取得了诸多成果。项目组利用云南天文台1.0m望远镜和2.4m望远镜实施了持续观测，三年内完成6次观测计划，获得共计17个观测夜，1837幅海卫一的CCD定位观测图像；对原有图像处理软件进行了优化升级，使其对亮星周围暗弱目标的检测更加有效，并能完全自动化地实现多目标检测、识别、分析功能，目前该软件已推广至天王星和土星卫星系统的CCD图像处理工作中；利用此软件我们处理了跨度十余年（2005年-2019年）的观测图像，相比之前处理结果，获取的观测数据数量更多、精度更高；自主开发了基于加权最小二乘方法的海王星卫星轨道改进程序；使用跨度170年（1847年-2016年）共计11040个光学观测数据和1989年获得的旅行者2号数据，完成了海卫一轨道改进；基于对海卫一轨道理论的研究基础，将研究成果拓展应用到海卫二的轨道理论研究中，使用跨度70年（1949年-2018年）共计2075个光学观测数据和83个1989年旅行者2号的空间数据完成了海卫二的轨道改进；在测光探索研究方面，对于如何克服亮星光晕对暗伴星测光的影响进行了研究，并确定采用多项式拟合局部区域光晕背景的方法完成了部分海卫一CCD图像的测光，同时项目组还利用云南天文台2.4m望远镜进行了海卫一光谱的拍摄实验，虽因天气原因并未获得理想的观测数据，但积累了光谱观测和图像处理经验。项目执行期间发表多篇署名SCI论文，研究成果得到国际同行学者的高度认可。这些研究拓展了国内天然卫星的研究领域，为更好地研究大行星卫星系统轨道演化机制、了解柯伊伯带天体的特征提供了科学依据，为未来深空探测工程提供了高精度历表数据支持，同时也为深空探测提供了有意义的科学目标。