美国宇航局小行星数据库：您对我们的太阳系有何了解？

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。

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最后编辑日期:2018-04-19

简介

你可能已经看过像 Armageddon 和 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:

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。

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.

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:

• Freudenrich，C。（n.d。）.小行星如何工作。检索2013年7月13日，来自 http://science.howstuffworks.com/dictionary/astronomy-terms/asteroid.htm .
• 美国宇航局太阳系探索.（不详）.小行星 – 概述。检索2013年7月13日，来自http://solarsystem.nasa.gov/planets/profile.cfm?Object=Asteroids 。
• 维基百科贡献者.（2013年7月15日）.小行星的。检索2013年7月17日，来自 http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Asteroid& OLDID = 564429619 。
• Clavi，W。和Harrington，J.D。（2013年7月25日）. NASA的WISE发现神秘的半人马可能是彗星。检索2013年8月9日，来自 http://www.jpl.nasa.gov/news/news .PHP？释放= 2013-234 。
• 喷气推进实验室（n.d.）. JPL小型数据库搜索引擎.2013年7月17日检索自 http://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb_query.cgi 。
• Williams，A。（2012年9月20日）. Sol行星系统数据.2013年7月17日检索自 http://www.princeton.edu/~willman/planetary_systems/Sol 。

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:

• MathsIsFun.com.（不详）.直方图的.2013年7月18日检索自 http://www.mathsisfun.com/data/histograms.html 。
• MathsIsFun.com.（不详）.分散（XY）图.2013年7月18日检索自 http://www.mathsisfun.com/data/scatter-xy-plots.html .
• MathsIsFun.com.（不详）.正态分布.2013年7月18日检索自 http://www.mathsisfun.com/data/standard-normal-distribution.html .

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.

2. 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。

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与半长轴的散点图。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）。
      
      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。
      
      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:

• Asteroid_Data_diameter_defined.csv.zip 所有具有直径的小行星（2,509个小行星）
• Asteroid_Data_SMASS_defined.csv.zip 所有具有SMASS光谱类型的小行星（1,665个小行星）
• Asteroid_Data_Tholen_defined.csv.zip 所有定义了Tholen光谱类型的小行星（980个小行星）
• Asteroid_Data_albedo_defined.csv.zip 所有具有反照率的小行星（2,450个小行星）
• Asteroid_Data_rotation_defined.csv.zip 所有具有旋转周期的小行星（5,496个小行星）

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？