最小直徑僅十米科學研究揭示小行星帶的“微觀世界”

導致恐龍滅絕的小行星直徑約為10公里，相當于美國紐約布魯克林區(qū)的寬度。這種巨大的撞擊天體預計每1億到5億年才會撞擊地球一次。

相比之下，小得多的小行星，例如巴士大小的天體可能每隔幾年就會撞擊地球。這些直徑僅數十米的“十米級”小行星更容易脫離主小行星帶，遷移成為近地天體。一旦撞擊地球，這些小但威力強大的太空巖石可能會對地球某個地區(qū)造成重大影響。例如1908年在俄羅斯西伯利亞通古斯卡發(fā)生的撞擊事件，以及2013年在俄羅斯烏拉爾車里雅賓斯克州上空解體的小行星。因此，觀察主小行星帶中的“十米級”小行星的能力能為隕石起源的研究提供新視角。

如今，由美國麻省理工學院物理學家領導的一個國際團隊找到了一種方法，可以識別主小行星帶中小到“十米級”的小行星。這個位于火星與木星之間的小行星帶中充滿了數百萬顆小行星。在此之前，只能探測到直徑約為1公里的主帶小行星。通過該團隊的新方法，科學家現(xiàn)在可以發(fā)現(xiàn)直徑僅為10米的小行星。

在近期發(fā)表于英國《自然》雜志上的一篇論文中，研究人員報告稱，他們利用這種新方法檢測到了100多顆新的“十米級”主帶小行星。這些小行星的大小從十米到數百米的范圍不等，是迄今為止在主小行星帶中探測到的最小尺寸的天體。

研究人員預計這種方法可以用于識別并追蹤可能接近地球的小行星。

“我們過去只能在小行星非常接近地球時，探測到直徑小至10米的近地天體?！痹撗芯康牡谝蛔髡摺⒙槭±砉W院地球大氣與行星科學系的研究科學家阿爾喬姆·布爾達諾夫表示，“現(xiàn)在，我們能夠在小行星距離地球更遠時發(fā)現(xiàn)它們，這樣就可以更精確地追蹤其軌道，這對行星防御至關重要。

這項研究的合著者除了麻省理工學院的行星科學教授朱利安·德·維特和理查德·本澤爾，還有來自多個機構的合作伙伴，包括比利時列日大學、捷克查爾斯大學、歐洲航天局，以及德國的馬克斯·普朗克外星物理研究所和奧爾登堡大學等機構。

圖像中的新發(fā)現(xiàn)

朱利安及其團隊主要致力于尋找和研究系外行星——太陽系以外可能適宜居住的星球。他們是2016年發(fā)現(xiàn)TRAPPIST-1行星系統(tǒng)的研究團隊之一。TRAPPIST-1是一顆距離地球約39光年的恒星。通過智利的過境行星和微行星小型望遠鏡，團隊確認這顆恒星周圍有巖石質地的地球大小的行星，其中幾顆位于宜居帶內。

自發(fā)現(xiàn)以來，科學家們利用多臺望遠鏡，在不同波長下對TRAPPIST-1系統(tǒng)進行觀測，以進一步研究這些行星的特性并尋找生命的跡象。探測過程中，天文學家不得不清理望遠鏡圖像中的“噪聲”，例如地球與恒星之間的氣體、塵埃以及行星天體，以便更清晰地識別TRAPPIST-1的行星。然而，這些被清理掉的“噪聲”往往也包括穿越視野的小行星。

“對大多數天文學家來說，小行星有點像天空中的害蟲，它們穿過視野，干擾數據?！敝炖步忉尩?。

朱利安和阿爾喬姆開始思考，用于搜索系外行星的數據是否也可以被回收，來挖掘太陽系內的小行星。他們轉向一種最早于20世紀90年代開發(fā)的圖像處理技術——圖像偏移與疊加。這一方法通過對相同視野的多張圖像進行偏移和疊加，來增強原本微弱的天體信號，從而讓它從噪聲信號中顯現(xiàn)出來。

要在原本聚焦于遙遠恒星的圖像中應用這一方法尋找未知的小行星，需要大量計算，因為這涉及測試無數種小行星可能存在的位置，并對每種假設位置偏移數千張圖像，驗證小行星是否確實存在。

幾年前，阿爾喬姆、朱利安和麻省理工學院的研究生薩曼莎·漢斯勒發(fā)現(xiàn)，借助最先進的圖形處理器（GPU），可以以極高的速度處理大量圖像數據，從而實現(xiàn)這一方法。

他們最初在SPECULOOS調查的數據上嘗試了這一方法。SPECULOOS是一個地基望遠鏡系統(tǒng)，能夠在一段時間內對恒星進行多次成像。這一嘗試，以及隨后在南極的一臺望遠鏡數據上的第二次應用，證明研究人員確實能夠在主小行星帶中發(fā)現(xiàn)大量未知的小行星。

未探索的領域

在這項新研究中，研究人員利用全球最強大的天文觀測設備——美國國家航空航天局的詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）探測更小尺寸的小行星。JWST對紅外光的靈敏度遠高于可見光，而主小行星帶中的小行星在紅外波段比在可見光波段更明亮，因此更容易被JWST發(fā)現(xiàn)。

研究團隊將其方法應用于JWST拍攝的TRAPPIST-1圖像。這些數據包含超過1萬張恒星圖像，最初用于尋找該系統(tǒng)內側行星大氣的跡象。通過對這些圖像進行處理，研究人員發(fā)現(xiàn)了主小行星帶中的8顆已知小行星。進一步分析后，他們新發(fā)現(xiàn)了138顆小行星，這些小行星的直徑僅為幾十米，是迄今為止探測到的最小主帶小行星。他們推測其中一些小行星正向近地天體遷移，而有一顆可能是“特洛伊小行星”，即跟隨木星運行的小行星。

“我們原以為只能檢測到少量新天體，但最終檢測到的數量遠超預期，特別是那些小行星?！敝炖脖硎荆斑@表明我們正在探索一個全新的天體群體。在這個群體中，通過高效的碰撞級聯(lián)過程，許多小于100米的小行星由較大天體分裂而成。”

“這些十米級主帶小行星的統(tǒng)計數據對于建模至關重要?！苯菘瞬闋査勾髮W的聯(lián)合作者、太陽系中小行星種群專家米羅斯拉夫·布羅茲補充道，“實際上，這些小行星是更大、直徑達數公里的小行星碰撞后拋出的碎片。這些較大的小行星常常具有相似的軌道，因此我們將其分組為‘小行星家族’。

“得益于現(xiàn)代技術，我們正在進入一個全新的、未探索的領域。”阿爾喬姆表示，“這是一個很好的例子，說明當我們以不同的方式看待數據時，可能會帶來巨大收獲，而這就是其中之一?！保ňC合整理報道）（策劃／小文）