数百万新太阳系天体将被发现并实现“彩色摄影”——研究预测

美国国家科学基金会与能源部（NSF-DOE）的薇拉·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、彗星及其他矮行星——的认知。

鲁宾天文台正在智利北部的帕琼山脊（Cerro Pachón）建设，其核心是配备独特三镜设计的8.4米西蒙尼巡天望远镜（Simonyi Survey Telescope），该望远镜能够每隔几晚巡测整个可见天空。其核心设备是世界最大的数码相机——32亿像素的时空遗产巡天（LSST）相机——配备六个滤光片，覆盖9.6平方度视场，面积约为满月的45倍。这套“宽视场-快巡天-深探测”系统每晚将产生20太字节数据，在未来10年生成前所未有的宇宙延时“电影”，并创建极其强大的数据集用于绘制太阳系图谱。

由贝尔法斯特女王大学梅格·施万布（Meg Schwamb）领导的天文学家团队开发了创新的开源软件Sorcha，用于预测可能取得的发现。Sorcha是首个端到端模拟器，能够处理鲁宾天文台规划的观测时间表。它结合了鲁宾天文台在图像中观测和探测天体源的最佳模型，以及对当前太阳系及其小天体储层形态的最佳理解。

“像Sorcha这样精确的模拟软件至关重要，”女王大学数学与物理学院高级讲师施万布表示，“它能告诉我们鲁宾将发现什么，并指导我们如何解读。我们对地球太阳系内天体组成的认知即将迎来指数级且快速的扩展。”

除了八大行星，太阳系还存在着大量在45亿年前与行星同时形成的小天体。其中许多自太阳系诞生以来基本保持不变，成为其早期历史的化石记录。通过研究其轨道、大小和成分，天文学家可以重构行星的形成、迁移和演化过程。

这些数以千万计的天体，为理解诸多过程提供了重要窗口：例如向地球输送水和有机物质、巨行星重塑行星轨道，以及那些路径靠近地球的天体带来的持续风险。

除了女王大学和华盛顿大学（UW），国际团队成员还包括哈佛-史密松森天体物理中心及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员。

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

鲁宾天文台不仅能发现这些新小天体，还将使用不同光学滤光片对其进行多次观测，揭示其表面颜色。以往的太阳系巡天通常仅使用单一滤光片。

“借助LSST的太阳系天体星表，我们的工作表明这将如同从黑白电视跃升至绚丽彩色，”女王大学博士生乔·穆塔夫（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最初几年被发现。”

团队的模拟显示，鲁宾天文台将测绘：

• 127,000个近地天体（NEOs）——轨道与地球相交或接近地球的小行星和彗星。这比目前已知的约38,000个增加了两倍多，并能探测超过70%直径大于140米的潜在威胁天体。这将使灾难级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500万个主带小行星（MBAs），远超当前的约140万个，并在巡天最初几年内获取约三分之一小行星的精确颜色和自转数据。这将为科学家提供关于太阳系构成单元特性与历史的前所未有的洞见。

• 109,000个木星特洛伊天体（Jupiter Trojans），即位于木星轨道稳定“拉格朗日点”的天体——比当前编目数量多七倍以上。这些天体代表了可追溯至行星形成时期的最原始物质。

• 37,000个海外天体（TNOs），即遥远柯伊伯带的居民——数量接近当前的十倍——为揭示海王星过去的迁移及外太阳系历史提供线索。

• 约1,500-2,000个半人马天体（Centaurs），即位于太阳系中部、具有短寿命巨行星穿越轨道的天体。多数半人马天体最终将被抛出太阳系，但少数幸运者将存活成为短周期彗星。LSST将首次提供半人马天体的详细视图，以及从半人马天体到彗星的重要过渡阶段。

鲁宾天文台的LSST是填补太阳系缺失环节的划时代机遇，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。尤里奇同时担任鲁宾天文台太阳系处理管道团队负责人及华盛顿大学DiRAC研究所所长。

“我们的模拟预测鲁宾将使已知小天体数量增加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，我们将能更新太阳系形成的教科书，并极大提升发现——乃至可能偏转——威胁地球的小行星的能力。”

华盛顿大学博士生杰克·库兰德（Jake Kurlander）指出，天文学观测花费225年才发现了前150万颗小行星，而研究发现鲁宾天文台将在不到一年内使该数字翻倍。

“鲁宾无与伦比的广度与深度结合，使其成为独特的高效发现机器，”库兰德表示。

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——包括行星形成之地及其数十亿年来的迁移轨迹。Sorcha在这方面具有变革性意义。”

Sorcha代码已开源并免费提供，包含模拟星表、动画等资源，详见