数以百万计太阳系新天体将被发现并"以绚丽色彩拍摄"——研究预测

美国国家科学基金会与能源部（NSF-DOE）维拉·C·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）将彻底改变我们对太阳系“小天体”——小行星、彗星和其他矮行星的认识。

鲁宾天文台正在智利北部的帕琼山（Cerro Pachón）山脊上建设，其核心是8.4米西蒙尼巡天望远镜（Simonyi Survey Telescope）。该望远镜采用独特的三镜设计，能够每隔几晚巡天一次覆盖整个可见天空。其核心装备是世界上最大的数码相机——32亿像素的时空遗产巡天相机（LSST Camera），配备六个滤光片，覆盖9.6平方度的视场，面积约为满月的45倍。这款“宽、快、深”（wide-fast-deep）系统每晚将产生20太字节的数据——在未来的10年中创造一部前所未有的宇宙延时“电影”，并生成一个极其强大的数据集，用于测绘太阳系。

由女王大学（Queen's University）的梅格·施万布（Meg Schwamb）领导的天文学家团队开发了Sorcha，这是一种创新的新型开源软件，用于预测可能的发现。Sorcha是第一个端到端模拟器，它能接收鲁宾天文台计划中的观测日程表，结合关于鲁宾天文台如何在其图像中看到和探测天体源的假设，以及当前太阳系及其小天体库外观的最佳模型。

“像Sorcha这样的精确模拟软件至关重要，”女王大学数学与物理学院的资深研究员施万布说。“它能告诉我们鲁宾将发现什么，并让我们知道如何解读这些发现。我们对地球太阳系中天体组成的认识即将呈指数级、快速地扩展。”

除了八大行星外，太阳系还拥有海量的小天体，它们与行星一起形成于45亿多年前。其中许多小天体自太阳系诞生以来基本保持不变，充当着其最早期的化石记录。通过研究它们的轨道、大小和组成，天文学家可以重建行星形成、迁移和演化的过程。

这些数以千万计的天体，提供了一个强大的窗口，让我们得以窥见诸如水和有机物质输送到地球的过程、巨行星重塑行星轨道的过程，以及那些路径靠近我们地球的天体所带来的持续风险。

除女王大学和华盛顿大学（UW）外，该国际团队还包括来自哈佛-史密松天体物理中心（Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian）和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的研究人员。

一系列描述该软件及其预测结果的论文已被《天文学杂志》（The Astronomical Journal）接受发表。

鲁宾天文台不仅仅会发现这些新的小天体，还会使用不同的光学滤光片对它们进行多次观测，揭示它们的表面颜色。过去的太阳系巡天通常只使用单一滤光片观测。

“凭借LSST的太阳系天体目录，我们的工作表明，这将如同从黑白电视跃升到绚丽色彩，”女王大学的博士生乔·默塔格（Joe Murtagh）说。“这非常令人兴奋——我们预计将探测到数百万个新的太阳系天体，其中大部分将在巡天计划的最初几年内被发现。”

团队的模拟显示，鲁宾天文台将测绘：

• 12.7万颗近地天体（NEOs）——其轨道穿越或接近地球的小行星和彗星。这将使目前已知的约3.8万颗增加两倍多，并探测到超过70%的大于140米的潜在危险天体。这将使灾难性未探测小行星撞击的风险至少降低一半，为行星防御做出巨大贡献。

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  超过500万颗主带小行星（MBAs），从当前的约140万颗大幅增加，并在巡天最初几年内获取其中约三分之一小行星的精确颜色和自转数据。这将让科学家们前所未有地深入了解太阳系构成单元的特征和历史。

• 10.9万颗木星特洛伊群小行星（Jupiter Trojans），这些天体位于木星轨道上稳定的“拉格朗日点”——数量是当前编录的七倍多。这些天体代表着可追溯至行星形成时期的一些最原始物质。

• 3.7万颗海外天体（TNOs），即遥远柯伊伯带的居民——数量接近当前普查结果的十倍——这将揭示海王星过去的迁移以及外太阳系的历史。

• 大约1,500-2,000颗半人马体（Centaurs），这些天体位于太阳系中部，具有穿越巨行星轨道的短暂寿命轨道。大多数半人马体最终将被逐出太阳系，但少数幸运者将存活下来成为短周期彗星。LSST将首次提供半人马体及其向彗星转变的重要过渡阶段的详细视图。

Sorcha团队成员、华盛顿大学天文学教授马里奥·尤里奇（Mario Juric）表示，鲁宾天文台的LSST是填补太阳系缺失拼图的千载难逢的机会。尤里奇同时担任鲁宾天文台太阳系数据处理管线团队负责人和华盛顿大学DiRAC研究所所长。

“我们的模拟预测，鲁宾天文台将使已知小天体族群的数量扩大4-9倍，提供前所未有的轨道、颜色和光变曲线宝库，”尤里奇说。“利用这些数据，我们将能够更新太阳系形成的教科书，并极大提高我们识别——以及可能偏转——可能威胁地球的小行星的能力。”

华盛顿大学的博士生杰克·库兰德（Jake Kurlander）表示，人类花了225年的天文观测才探测到前150万颗小行星，而研究发现鲁宾天文台将在不到一年的时间内将这个数字翻倍。

“鲁宾天文台无与伦比的广度和深度使其成为一种独特高效的发现机器，”库兰德说。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校航空航天工程助理教授西格弗里德·埃格尔（Siegfried Eggl）补充道：“只有通过消除LSST复杂观测模式引入的偏差，我们才能将原始探测数据转化为太阳系历史的真实反映——行星在哪里形成，以及它们在数十亿年间如何迁移。在这方面，Sorcha是一个改变游戏规则的工具。”

Sorcha代码是开源的，可免费获取，其模拟目录和动画见