互联网卫星激增带来天文学新问题丨Engineering

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2020年第8期

作者：Mitch Leslie

来源：Internet Satellite Boom Presents Astronomical Problems[J].Engineering,2020,6(8):849-850.

编者按

越来越多的人造卫星上天，正在给天文学家的太空观测带来诸多不胜其烦的干扰。如果SpaceX和其他公司按计划发射数百或数千颗卫星的“巨型星座”，那么未来10年内近地轨道上的卫星数量可能会增长10倍以上，而这将为天文学研究带来一系列棘手的新问题。

中国工程院院刊《Engineering》2020年第8期刊发《互联网卫星激增带来天文学新问题》，报道了卫星数量增加对天文学研究带来的影响，如影响小行星的识别和跟踪等。卫星激增的影响取决于观测者的纬度、收集数据的时间与季节以及所调查的天文学问题。因此，为减少卫星激增带来的影响，相关公司也在卫星设计方面进行了改进。

2020年4月22日，SpaceX公司研发的火箭从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，其有效载荷令许多天文学家感到担忧。火箭运送到太空的60颗卫星加剧了近地轨道卫星数量的激增状况。根据美国马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森尼天体物理学中心的天体物理学家 Jonathan McDowell的计算，在短短一年内轨道卫星数量以肉眼可见的速度翻了一番。如果SpaceX和其他公司按计划发射数百或数千颗卫星的“巨型星座”（megaconstellation），那么近地轨道上的卫星数量在未来10年内可能会增长10倍以上。

这些新卫星已经阻碍了天文观测。研究人员预计，随着更多卫星的发射，问题将变得更加严重。McDowell 说，并不是所有的天文学家都会受到影响，但是许多天文学家会发现他们的研究会更加困难、耗时且会更昂贵——他们可能不得不重新设计设备进行弥补。某些项目，包括计划于2023年开始的大型夜空探索，可能会受到严重干扰。尽管SpaceX公司最近宣布了一些改变，以减少卫星的可见性，但天文学家表示，这些卫星仍然会干扰观测。他们还担心，大量的卫星将产生更广泛的影响，从而改变公众对太空的看法。美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的天文学博士后Cliff Johnson说：“这将影响地球上每个人看到的夜空景象。”

自从1957年人造卫星发射以来，卫星就一直对天文学家的视野造成干扰。“这偶尔会让人感到烦恼，”McDowell说，“很多时候你会得到一个被卫星破坏的观测结果，但这种情况一直以来并不常见。”为了评估新卫星将如何改变这种状况，他估计了近地轨道上的卫星数量。在600 km以下轨道运行的大型卫星往往是明亮的，因此在黑暗区域中肉眼可以看见它们，这会扰乱天文学家的研究。McDowell计算出，到2018年，这些卫星大约有400颗。

这些卫星数量自2019年5月开始迅速上升。当时由亿万富翁Elon Musk创立的总部位于加利福尼亚州霍桑市的SpaceX公司发射了第一批60颗Starlink卫星，这些卫星旨在为世界许多地区提供宽带互联网接入。截至2020年4月，SpaceX公司已部署了400多颗此类卫星，并且获得了监管机构对其最多可发射12 000颗卫星的批准。该公司最终可能随时将42 000颗卫星投入使用。

其他公司正在采取行动。总部位于伦敦的OneWorld 公司已经发射了74颗卫星，其最初目标是将650颗卫星送入轨道。该公司是否会实现这一目标目前尚不清楚，因为它在2020年3月宣布破产。但是，包括亚马逊在内的其他几家公司也希望创建自己的“巨型星座”。

大量的新卫星是科学家们关注的问题之一。正如一位天文学家所说，一旦“巨型星座”发射升空，夜空将“爬满”各种卫星。迄今为止，已发射的卫星也令人担忧，因为它们太亮了。密歇根大学安娜堡分校的天文学研究教授（名誉教授）Patrick Seitzer指出，Starlink卫星很大且具有反射性，再加上第一批卫星运行轨道距地球表面仅550 km，因此，他说：“这些卫星现在的亮度超过了轨道上99%的卫星。”而且在没有严重光污染的地区，肉眼就可以看到它们。

Seitzer在美国天文学协会（American Astronomical Association）委员会工作，该委员会正在研究卫星问题，他在2020年1月的会议上描述了卫星可能产生的影响。他说，卫星发出的光会使研究人员用于捕获夜空图像的探测器饱和。这意味着这些光不仅会留下破坏图像像素的细条纹，而且会溢出并使图像模糊。Seitzer说，卫星发出的光也会引起其他问题，包括曝光其他部分的重影，以及在之后的曝光中出现残留图像。

有超过9000个Starlink卫星计划在600 km以下的轨道运行，但是仍有2800个Starlink卫星计划在1200 km左右的轨道高度运行——尽管SpaceX公司已提交申请以将其卫星置于较低的轨道。OneWeb公司的卫星也在1200 km的轨道运行。Seitzer说，肉眼无法看到这些较高海拔的卫星。但他计算出，它们仍然足够明亮，这足以使天文探测器饱和，而且它们可能更具破坏性，因为在特定时间，人们可以观察到其3~4倍以上的亮度。

Seitzer、McDowell和其他科学家的分析表明，卫星数量激增的影响将取决于几个因素，其中包括观测者的纬度、收集数据的时间和季节，以及所调查的问题。 Johnson和他的同事正在观察麦哲伦星云等星系，研究恒星形成并寻找未发现的矮星系，而Starlink卫星已经在他们某些影像上留下痕迹（图1）。但是他说，这些卫星不会对该小组的研究产生重大影响。当卫星穿过一个图像时，“我们会进行多次观测，从而对像素的损失进行平均。”

图1 2019年11月18日，在智利的Cerro Tololo美洲天文台，Starlink 卫星在由Blanco望远镜拍摄的这张图像中留下的细条纹。在333 s的曝光时间内，有19颗卫星通过了望远镜的视野。这些卫星于一周前发射，并且正在向最终的轨道高度为550 km的方向移动。图片来源：DELVE Survey，CTIO/AURA/NSF，经许可

但是，这些卫星可能会妨碍其他研究。在3年之内，正在智利建设的Vera Rubin天文台的科学家将启动“时空遗产调查”（Legacy Survey of Space and Time），这是一个为期10年的项目，旨在捕获最详细的夜空信息。天文台的望远镜具有9.62平方度的巨大视场，是满月面积的40倍以上。它可以发现比用肉眼可以察觉到的弱一千万倍的物体，这种灵敏度和广度的结合使其特别容易受到卫星的干扰。该项目的研究人员估计，望远镜中多达30%的图像将包含卫星踪迹，并且由于卫星造成的数据丢失，该调查可能需要额外4年的时间才能完成。

Rubin天文台的目标之一——努力识别和跟踪小行星也可能会受到影响。McDowell表示，目前在日落之后和日出之前最容易看到高空的Starlink卫星，这也是探测小行星的最佳时机。他说：“你真的不会想错过即将撞击地球的小行星。”

SpaceX公司对天文学家的抱怨做出了回应，并在 2020年4月宣布了重大变化，以减少卫星的影响，尽管这些变化不会改变已经发射的Starlink卫星。为了防止新的Starlink卫星在进入轨道时被看见，现在 SpaceX公司将调整它们的方向，使它们在上升时紧贴太阳，减少它们反射的光量。一旦进入轨道，未来将为所有的卫星部署探测器，以降低反射率。SpaceX公司表示，对于用肉眼观察天空的观察者而言，这些变化意味着这些卫星在发射后不久最容易被看见，然后在一周内将消失。

天文学家对SpaceX公司的声明表示欢迎，但同时警告该计划只能到此为止。McDowell表示，“这些变化将使卫星变得更暗，在深夜被照亮的卫星也会更少。”他说，SpaceX公司的新方法“改善了但并没有消除”潜在的卫星问题。

Johnson和其他研究人员表示，SpaceX公司和OneWeb公司——在宣布破产之前曾与天文学家进行过交流——因其为解决这一问题所做的努力而获得好评。但是他们也希望看到新的规定，以确保卫星运营商能保护夜空。Johnson说：“必须有一种机制促使他们做正确的事。”

注：本文内容呈现略有调整，若需可查看原文。

改编原文：

Mitch Leslie.Internet Satellite Boom Presents Astronomical Problems[J].Engineering,2020,6(8):849-850.

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