STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

美国宇航局小行星数据库:您对我们的太阳系有何了解?

难度 <! - 7 - >
所需时间 短(2-5天)
先决条件 为了完成这个科学项目,您应该已经掌握了基本统计分析(直方图和散点图)的知识,或者愿意熟悉它们。
材料可用性 该科学项目需要具有互联网访问权限的计算机和Microsoft®Excel®或OpenOffice™Calc等电子表格程序。
费用 非常低(低于20美元)
安全 没有问题

摘要

您是否知道除了太阳和行星之外,我们的太阳系还充满了数以百万计的小行星,这些小行星是从其形成初期留下的大块岩石,或者是大型物体之间的碰撞像行星一样?像美国宇航局这样的机构跟踪小行星,不仅因为它们可能通过与地球相撞而对人类构成威胁,而且因为它们可以为我们提供有关太阳系历史的信息,甚至可以用于在太空中开采原材料!在这个科学项目中,您将探索NASA在小行星上积累的大量数据,并使用数据分析来了解您可以了解的有关太阳系的信息。

目的

使用数据分析调查NASA小行星数据,并使用您对太阳系的背景研究解释结果。

积分

Ben Finio,PhD,Science Buddies

该科学项目中使用的数据来自NASA/JPL小型数据库搜索引擎

  • Microsoft是Microsoft Corporation的注册商标。
  • Excel是Microsoft Corporation的注册商标。
  • OpenOffice是The Apache Software Foundation的商标。

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

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科学伙伴。”美国宇航局小行星数据库:你能从中了解我们的太阳系吗?” 科学伙伴,2018年4月19日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Astro_p039/astronomy/nasa-asteroid-database-what-c​​an-you-learn-about-our-solar-system。2019年7月6日访问。

APA风格

科学伙伴。(2018年4月19日)。 NASA小行星数据库:您对我们的太阳系有什么了解?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Astro_p039/astronomy/nasa-asteroid-database-what-c​​an-you-learn-about-our-solar-system


最后编辑日期:2018-04-19

简介

NASA asteroid thumbnail

你可能已经看过像 Armageddon Deep Impact 这样的科幻电影,地球上的生命受到与彗星或小行星的灾难性碰撞的威胁。信不信由你,我们的太阳系实际上充满了数以百万计的彗星和小行星,并跟踪所有它们 – 包括它们在哪里,它们在哪里(包括它们是否可能击中)地球!),它们有多大,甚至它们是由它们制成的 – 是一项相当艰巨的任务。幸运的是,美国国家航空航天局(NASA)和喷气推进实验室(JPL)拥有一个巨大的,可公开访问的计算机化数据库,其中包含太阳系中数十万颗小行星和彗星的信息。在这个天文学科学项目中,您将研究该数据库中的一些可用信息,并了解它为太阳系内物体的形成和分布提供了什么样的见解。在途中,您将学习如何操作大量数据。在开始之前,这里有一些更多的背景信息。

彗星和小行星都是物质的岩石块,比行星小,它们是我们太阳系早期形成的剩余碎片,或者是在两个较大的物体(如行星,卫星,甚至更大的小行星/彗星碰撞,导致较小的碎片脱落。一般来说,小行星是在太阳系”较暖” 区域形成的岩石物体,靠近太阳(大部分位于木星轨道内).彗星在太阳系的较冷区域形成更远,导致它们 icy ;除了岩石和灰尘外,它们还由冷冻水和甚至甲烷和二氧化碳等冷​​冻气体组成。当它们靠近太阳时,冰冷的物质会蒸发并在彗星上形成一个明显的”尾巴” 。两者之间可能存在一些混淆,因为例如,岩石小行星有时可以在太阳系中更远地行进(甚至海王星行星一直走出来!),冰冷的彗星有时会更接近太阳。术语”小行星” 也可用于指代小行星和彗星。这个科学项目只会处理小行星,所以你不必过分担心这种区别。

图1显示了几颗不同小行星的图像,以及一张从地球上取下的可见尾部彗星图:

不同小行星的缩放图像hale-bopp来自克罗地亚Pazin,1997年
图1。(左)不同小行星的高分辨率图像。最大的4 Vesta,直径525公里。最小的25143 Itokawa(图中几乎看不到),长640米。(右)Hale-Bopp彗星,1997年从地球上可见.Hale-Bopp宽约60公里(Philipp Salzgeber,1997)。

那么,NASA实际跟踪小行星的数据是什么? JPL数据库包含有关其轨道的信息,或围绕太阳旋转的空间轨迹。小行星的轨道是椭圆形,如图2所示。几个不同的参数定义了小行星的椭圆轨道。您需要了解的科学项目的基本参数是:

  • 半长轴是一个等于椭圆长轴一半的距离。主轴穿过椭圆的中心并在其最宽点处结束(见图2)。半长轴以天文单位(AU)测量。一个AU等于地球与太阳的平均距离。
  • Perihelion 是物体与太阳的最近距离(见图2)。近日点也用AU测量。
  • Aphelion 是物体离太阳最远的距离(见图2).Aphelion也是在AU中测量的.
  • 偏心测量轨道的”圆形” 。一个完美的圆的偏心率为0.随着椭圆变得更长且更瘦,它的偏心率接近(但从未达到)1。偏心率没有单位.
  • 倾斜测量小行星轨道平面与地球围绕太阳的轨道平面之间的角度。倾斜度以度(度)来度量.
  • 轨道周期是小行星绕太阳运行一次所需的时间。轨道周期以年(y)为单位。

小行星轨道的近日点,远日点和半长轴
图2. 一些定义椭圆轨道的参数。

数据库还包括有关每个小行星的物理信息。一些物理信息包括:

  • 小行星的直径是近似的(注意,许多小行星不是完美的球形,因此这是平均直径)。直径以公里(km)为单位。
  • 范围测量适合小行星周围的”盒子” 的尺寸(长度,宽度和高度)。对于完美的球形物体,所有三个数字都是相同的。范围以公里(km)为单位。
  • Albedo 是对小行星表面反射多少光的测量.Albedo没有单位。值0表示没有光被反射,值1表示从完全平坦的白色漫射表面反射的光量(意味着光在所有方向上散射) )。大多数小行星的反照率范围从0.01(非常暗)到0.7(非常明亮)。
  • 旋转周期是小行星绕其自己的轴旋转所需的时间。小心不要让它与轨道期间混淆。旋转周期以小时(h)为单位测量.
  • GM 是小行星质量乘以万有引力常数 G 的表达式(请参阅关于将此数字转换为质量(千克)的技术说明).GM的测量单位为平方/秒平方(km³/s²)。
  • 光谱类型是基于有关它如何反射电磁辐射(如无线电波,可见光,微波和X射线)的信息的小行星分类,这为科学家提供了了解小行星是由什么材料制成的。有两个主要的分类系统, Tholen 系统和 SMASS 系统。虽然这两个系统之间存在一些差异,但一般来说,小行星可以分为三个主要类别(此处未列出其他较小的组和子组):
    • C型或”碳质” 小行星,含有碳化合物。这是最常见的小行星类型,约占已知小行星的75%。它们主要由粘土和岩石组成,但也可能含有大量的水。
    • S型(”硅质” 或”石质” )小行星。这是第二种最常见的类型,约占已知小行星的17%。它们主要由石质材料(硅酸盐)和镍铁组成,但也可含有铂等有价值的金属。
    • M型(也称为 X型,取决于分类系统)或”金属” 小行星。这些小行星主要由镍铁和其他金属组成.
技术说明

GM 是以质量为单位的小行星质量的表达, M 乘以引力常数 G ,其定义为如:

或(将距离单位转换为公里而不是米)

因此,为了计算以千克为单位的小行星质量 M ,你必须用乘以引力常数来划分乘积 GM .”G 的:

务必跟踪单位;您将在过程中使用的物理参数表以km 3 /s 2 给出 GM ,因此您应该使用第二个值< i> G 计算质量时。

在整个科学项目的整个过程中,您可能需要对小行星进行额外的研究,以帮助指导您的数据分析,或者了解有关所讨论的某些术语的更多信息。参考书目部分提供了一些关于小行星的资源,以帮助您入门。

要执行此科学项目的”过程” 部分,您需要知道如何制作直方图(包括如何调整 bin大小)和散点图。如果您之前没有制作过这些类型的图表,请参阅参考书目中提供的参考资料。高级学生可能希望进一步进行统计分析;例如,曲线拟合和确定平方值(对于散点图),以及确定直方图是否遵循正态分布

术语和概念

  • 小行星
  • 彗星
  • 轨道
  • 描述小行星轨道的参数:
    • 半长轴
    • 天文单位(澳大利亚)
    • 近日点
    • 的Aphelion
    • 偏心
    • 倾角
    • 轨道周期
  • 每个小行星的物理信息:
    • 直径
    • 程度
    • 反照率
    • 轮换期
    • GM
    • 光谱类型
      • C型
      • S型
      • M型或X型
  • 数据分析和统计术语:
    • 直方图
    • 散点图

问题

  • 具有相似轨道参数的小行星有时被分为”家族” ,”群体” 和”轨道类” 。你能对这些不同的类别进行背景研究吗?
  • 不同光谱类型的小行星有什么区别?不同的类型往往占据太阳系的不同位置吗?
  • 人类什么时候开始发现小行星?某些类型的小行星比其他小行星更容易找到吗?有多少小行星被发现?
  • 是否估计太阳系中有多少未被发现的小行星?

参考书目

这些资源将帮助您开始了解有关小行星和太阳系的更多信息:

这些资源将帮助您了解有关统计数据,数据分析和绘图的更多信息:

材料和设备

  • 可上网的电脑
  • 电子表格程序,例如Microsoft Excel或Open Office Calc

实验程序

正在下载数据

虽然小行星数据可在互联网上公开获取,但您需要在计算机上创建副本,以便您选择的电子表格或数据分析程序可以访问它。

  1. 可以从中下载小行星数据但是, JPL Small Body Database Search Engine ,这个数据库非常庞大;它包含超过620,000个小行星!对于较旧的计算机而言,这可能是一个问题,在尝试加载和绘制许多数据点时可能会冻结,对于较旧的电子表格程序(例如,旧版本的Microsoft Excel仅允许65,536行数据)。因此,我们编译了几个可以下载的文件,具体取决于计算机的速度。

    注意:逗号分隔变量(CSV)数据,可以由大多数电子表格程序打开,保存采用压缩(ZIP)格式,以节省空间和下载时间。保存压缩文件后,您需要将其解压缩才能访问CSV文件。在Windows(XP及更高版本)中,您可以通过右键单击文件并选择”全部提取” 来完成此操作。在Mac OS X中,您只需双击压缩文件即可。如果您使用较旧的操作系统,则可能需要使用第三方程序打开压缩文件.

    • Asteroid_Data_6000.csv.zip 此文件适用于大多数计算机和电子表格程序.
    • Asteroid_Data_60000.csv.zip 此文件将在较旧的电子表格程序中打开(Excel 2003,打开Office Calc 3.2及更早版本,但绘图操作可能在较旧的计算机上运行缓慢。
    • Asteroid_Data_All.csv.zip 如果您使用较新的电子表格程序,请仅使用此文件(例如,Excel 2007或更高版本,Open Office Calc 3.3或更高版本)在新计算机上。如果此文件导致计算机冻结,请尝试使用较小的文件.
技术说明

这些文件是在2013年7月从JPL数据库下载的。将来,随着新的小行星被发现并添加到数据库中,数据库将会增长。计算能力的提高也可以使处理整个数据库更可行,而不是更小的数据子集。如果您想下载最新数据,可以按照JPL的教程使用Small – 实体数据库搜索引擎。这里的文件包含”小行星 – 基本” 和”小行星 – 物理” 预定义输出字段集。

  1. 现在您已下载数据库,请在电子表格程序中打开它(许多电子表格程序可以直接打开CSV文件,但您可能需要查看”帮助” 部分或进行互联网搜索,了解如何将CSV文件导入电子表格程序,例如搜索”如何在Excel 2007中导入CSV文件” )。数据按行组织,每列顶部都有一个标题.CSV文件使用这些标题的缩写;表1显示了搜索引擎的输出变量与CSV文件中使用的缩写之间的关系.注意:并非在引言中解释了表1中列出的每个变量,但您不必担心每个变量。但是,如果您感到好奇,可以进行其他背景研究以了解它们。

输出字段 CSV表格标题
对象全名/名称 full_name
[a]半长轴(AU) a
[e] eccentricity e
[i] tilt(deg) i
升序节点的经度(度) om
perihelion(deg)的参数 w
[q]近日距离(AU) q
[Q]远日距离(AU) ad
轨道周期(年) per_y
data-arc跨越的天数(d) data_arc
轨道条件代码(MPC’U’参数) condition_code
适合使用的观察数量(所有类型) n_obs_used
适合使用的延迟雷达观测数量 n_del_obs_used
适合使用的多普勒雷达观测数量 n_dop_obs_used
[H]绝对量值参数(mag) H
物体直径(来自等效球体)(km) 直径
对象双/三轴椭圆体尺寸(km) 范围
几何反照率 albedo
轮换期(h) rot_per
[GM]质量表示为产品质量和重量。常量.G(km³/s²) GM
颜色索引B-V(mag) BV
颜色索引U-B(mag) UB
颜色索引I-R(mag) IR
光谱分类型(SMASSII) spec_B
光谱分类型(Tholen) spec_T
表1。(左栏)JPL搜索引擎的输出字段。当输出字段具有与之关联的数学变量时,变量将显示在方括号中。当字段有与之关联的单元时,它在括号中。例如,”[a]半长轴(AU)” 表示半长轴的符号是 a 并且以天文单位(AU)测量.(右列)CSV文件中使用的缩写。

示例图和数据分析

本节将向您介绍几个示例图和数据分析,这将为您准备好在下一节中进行自己的图和分析。

  1. 太阳距离与轨道周期之间的关系(散点图)。
    1. 背景研究:查看下面的数据表,其中显示了我们太阳系中的一些行星绕太阳运行的时间(地球年份):

      星球 轨道周期(y)
      Mercury 0.24
      Venus 0.61
      地球 1.00
      Mars 1.88
      Jupiter 11.86
      Saturn 29.44
      天王星 84.01
      海王星 164.79
      表2。我们太阳系中一些行星的轨道周期。普林斯顿大学的Alexander J. Wilman,Jr。来自本页的数据。

    2. 做出预测:根据表2,随着行星离太阳更远,它们需要更长的时间才能绕太阳运行。你是否认为小行星也是如此,或者他们会表现出不同的关系吗?
    3. 测试您的预测:此处选择半长轴作为距离太阳的距离的度量。使用电子表格程序制作轨道周期半长轴的散点图。如果您不知道如何制作散点图,请查看电子表格程序的”帮助” 部分或进行互联网搜索(例如,”如何在Excel 2007中制作散点图” )。您的散点图应该类似于图3(确切的外观取决于您使用的数据文件)。
      小行星轨道与半长轴的关系图
      图3. 小行星轨道周期与半长轴的散点图。

    4. 得出结论:您是否看到了轨道周期与半长轴之间的相关性?是你从步骤b预测的。正确?长轨道的小行星需要更长时间才能绕太阳运行吗?
    5. 高级学生:使您的数据适合曲线(例如Excel中的”添加趋势线” 功能;查看电子表格程序的”帮助” 部分,或者如果您不知道如何进行互联网搜索这个)并检查R平方值。什么更适合数据(意味着什么具有最高的R平方值):a 线性趋势线,二次趋势线,还是其他什么?你能用你对小行星的知识来解释这个吗?你需要做更多的研究来解释这种趋势吗?

  2. 半长轴的直方图。
    1. 背景研究:在您对小行星的背景研究中,您可能会遇到有关小行星的不同群体或区域的讨论。例如,许多小行星聚集在火星和木星轨道之间的主小行星带中,但也有一大群小行星称为木星木马木星绕太阳运行。
    2. 做出预测:你认为这些群体会如何影响整个太阳系中小行星的分布,与太阳的粗糙距离(半长轴)?
    3. 测试您的预测:制作半长轴数据的直方图。如果您不知道如何制作直方图,请查看电子表格程序的”帮助” 部分或进行互联网搜索(例如”如何在Excel 2007中创建直方图” )。它应该类似于图4.根据您使用的数据文件,您可能需要调整bin大小;再次,如果您不知道如何执行此操作,请查看”帮助” 部分或进行互联网搜索。
      小行星半长轴直方图
      图4. 小行星的半长轴数据的直方图。

    4. 得出结论:图中有几个突出的”颠簸” ,这是你在步骤b中预测的。你能根据你的背景研究识别出不同的小行星群吗?例如,Jupiter Trojans在哪里?
    5. 高年级学生:半长轴的直方图是否遵循正态分布?为什么或者为什么不?除了像木星特洛伊木马这样的不同群体外,主带区还有几个突出的”空隙” 。你能找出存在这些差距的原因吗? 提示:它们也与木星引力的影响有关。

制作自己的地块

现在您已经完成了两个示例,您已准备好尝试自己的数据分析。我们将提供一些建议,但您可以随意浏览数据。对于你的科学项目,只要确保你总是有理由来做你正在做的事情;不要只是将任意两个随机变量拼接在一起!您应该制作一个情节,然后尝试使用您对小行星的背景研究来解释其外观,和/或进行背景研究,然后制作您自己的情节以确认您阅读的信息。

请注意,并非所有输出字段都是为数据库中的每个小行星定义的(例如,截至2013年7月,数据库中有620,291个小行星,但只有2,509个小行星具有直径测量值)。因此,以下数据文件也可能对您的分析有用:

  1. 为以下变量集制作散点图。您是否在结果图中看到任何明显的团块或小行星群?尝试进行背景研究,以确定出现在地块中的小行星的命名组或族。
    1. 偏心率与半长轴
    2. 倾斜与半长轴
    3. 倾向与偏心
    4. 高级学生:你能制作出三个变量的三维散点图吗? 注意:在某些电子表格程序中可能无法实现。
  2. 制作小行星直径的直方图。小行星的大小如何分布(例如,是否有更小的小行星,更大的小行星,甚至是所有小行星大小的数量)?你能根据你对太阳系形成的了解来解释这个问题吗?
    1. 高级学生:直方图是否正常分布?
  3. 制作小行星直径与半长轴的散点图。看起来不同大小的小行星在整个太阳系中的分布是否不同?数据是否符合趋势,或者根本没有趋势?
    1. 高级学生:您能否将趋势线(或曲线)拟合到数据中?如果是这样,那么R平方值是多少?
  4. 为散点图选择至少一个变量组合,或为直方图选择单个变量,此处未在此处或示例图中列出。制作情节,然后尝试根据您的背景研究进行解释(您可能需要进行额外的研究)。
  5. 重复本节的步骤1-4和两个示例图,但这次将小行星打破了Tholen或SMASS光谱类型。
    1. 不同类型的小行星的情节是否不同?例如,S型小行星更常见于主带的内部,而C型小行星更常见于主带的外部。你能用直方图确认吗?
    2. 注意:Tholen和SMASS分类系统中有许多子组,每个子组在数据文件中都有不同的字母。例如,F,B和G型小行星都属于Tholen分类系统中的”C组” 。还有不同的C型变体,如CB,CF和CP。为了使您的绘图更容易理解,可能有助于将所有小行星压缩成三个大的组(C,S和M)。这需要您做一些重新组织数据文件的工作。我们建议使用仅包含Tholen(或SMASS)分类的小行星的文件,以使这项工作更容易.



变体形式

  • 这个科学项目专注于小行星数据.JPL数据库中的彗星数量少得多(截至2013年7月为3,218),但尝试使用彗星数据重复科学项目。
  • 这个科学项目使用的数据文件包含来自JPL搜索引擎的默认”小行星 – 基本” 和”小行星 – 物理” 输出字段。搜索引擎中还有其他参数未包含在这些默认输出字段中。还有一些参数被包括在内,但在这个科学项目中没有讨论过(例如,绝对震级参数 H ,以及发现小行星的地球上的位置)。你能研究这些其他参数并将它们包含在你的科学项目中吗?