互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星激增帶來天文學(xué)新問題

Mitch Leslie

Senior Technology Writer

2020年4月22日，SpaceX公司研發(fā)的火箭從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射升空，其有效載荷令許多天文學(xué)家感到擔(dān)憂[1]?；鸺\(yùn)送到太空的60顆衛(wèi)星加劇了近地軌道衛(wèi)星數(shù)量的激增狀況。根據(jù)美國馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森尼天體物理學(xué)中心的天體物理學(xué)家Jonathan McDowell的計(jì)算，在短短一年內(nèi)軌道衛(wèi)星數(shù)量以肉眼可見的速度翻了一番。如果SpaceX和其他公司按計(jì)劃發(fā)射數(shù)百或數(shù)千顆衛(wèi)星的“巨型星座”（megaconstellation），那么近地軌道上的衛(wèi)星數(shù)量在未來10年內(nèi)可能會增長10倍以上[2]。

這些新衛(wèi)星已經(jīng)阻礙了天文觀測。研究人員預(yù)計(jì)，隨著更多衛(wèi)星的發(fā)射，問題將變得更加嚴(yán)重。McDowell說，并不是所有的天文學(xué)家都會受到影響，但是許多天文學(xué)家會發(fā)現(xiàn)他們的研究會更加困難、耗時且會更昂貴——他們可能不得不重新設(shè)計(jì)設(shè)備進(jìn)行彌補(bǔ)。某些項(xiàng)目，包括計(jì)劃于2023年開始的大型夜空探索，可能會受到嚴(yán)重干擾[3]。盡管SpaceX公司最近宣布了一些改變，以減少衛(wèi)星的可見性，但天文學(xué)家表示，這些衛(wèi)星仍然會干擾觀測。他們還擔(dān)心，大量的衛(wèi)星將產(chǎn)生更廣泛的影響，從而改變公眾對太空的看法。美國伊利諾伊州埃文斯頓西北大學(xué)的天文學(xué)博士后Cliff Johnson說：“這將影響地球上每個人看到的夜空景象。”

自從1957年人造衛(wèi)星發(fā)射以來，衛(wèi)星就一直對天文學(xué)家的視野造成干擾。“這偶爾會讓人感到煩惱，”McDowell說，“很多時候你會得到一個被衛(wèi)星破壞的觀測結(jié)果，但這種情況一直以來并不常見?！睘榱嗽u估新衛(wèi)星將如何改變這種狀況，他估計(jì)了近地軌道上的衛(wèi)星數(shù)量[4]。在600 km以下軌道運(yùn)行的大型衛(wèi)星往往是明亮的，因此在黑暗區(qū)域中肉眼可以看見它們，這會擾亂天文學(xué)家的研究。McDowell計(jì)算出，到2018年，這些衛(wèi)星大約有400顆[4]。

這些衛(wèi)星數(shù)量自2019年5月開始迅速上升。當(dāng)時由億萬富翁Elon Musk創(chuàng)立的總部位于加利福尼亞州霍桑市的SpaceX公司發(fā)射了第一批60顆Starlink衛(wèi)星，這些衛(wèi)星旨在為世界許多地區(qū)提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入[5]。截至2020年4月，SpaceX公司已部署了400多顆此類衛(wèi)星，并且獲得了監(jiān)管機(jī)構(gòu)對其最多可發(fā)射12 000顆衛(wèi)星的批準(zhǔn)。該公司最終可能隨時將42 000顆衛(wèi)星投入使用[6]。

其他公司正在采取行動?？偛课挥趥惗氐腛neWorld公司已經(jīng)發(fā)射了74顆衛(wèi)星，其最初目標(biāo)是將650顆衛(wèi)星送入軌道[7]。該公司是否會實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)目前尚不清楚，因?yàn)樗?020年3月宣布破產(chǎn)[8]。但是，包括亞馬遜在內(nèi)的其他幾家公司也希望創(chuàng)建自己的“巨型星座”[9]。

大量的新衛(wèi)星是科學(xué)家們關(guān)注的問題之一。正如一位天文學(xué)家所說，一旦“巨型星座”發(fā)射升空，夜空將“爬滿”各種衛(wèi)星[10]。迄今為止，已發(fā)射的衛(wèi)星也令人擔(dān)憂，因?yàn)樗鼈兲亮?。密歇根大學(xué)安娜堡分校的天文學(xué)研究教授（名譽(yù)教授）Patrick Seitzer指出，Starlink衛(wèi)星很大且具有反射性，再加上第一批衛(wèi)星運(yùn)行軌道距地球表面僅550 km，因此，他說：“這些衛(wèi)星現(xiàn)在的亮度超過了軌道上99%的衛(wèi)星?！倍以跊]有嚴(yán)重光污染的地區(qū)，肉眼就可以看到它們。

Seitzer在美國天文學(xué)協(xié)會（American Astronomical Association）委員會工作，該委員會正在研究衛(wèi)星問題，他在2020年1月的會議上描述了衛(wèi)星可能產(chǎn)生的影響[11]。他說，衛(wèi)星發(fā)出的光會使研究人員用于捕獲夜空圖像的探測器飽和。這意味著這些光不僅會留下破壞圖像像素的細(xì)條紋，而且會溢出并使圖像模糊。Seitzer說，衛(wèi)星發(fā)出的光也會引起其他問題，包括曝光其他部分的重影，以及在之后的曝光中出現(xiàn)殘留圖像。

有超過9000個Starlink衛(wèi)星計(jì)劃在600 km以下的軌道運(yùn)行，但是仍有2800個Starlink衛(wèi)星計(jì)劃在1200 km左右的軌道高度運(yùn)行——盡管SpaceX公司已提交申請以將其衛(wèi)星置于較低的軌道[12]。OneWeb公司的衛(wèi)星也在1200 km的軌道運(yùn)行[13]。Seitzer說，肉眼無法看到這些較高海拔的衛(wèi)星。但他計(jì)算出，它們?nèi)匀蛔銐蛎髁?，這足以使天文探測器飽和，而且它們可能更具破壞性，因?yàn)樵谔囟〞r間，人們可以觀察到其3～4倍以上的亮度。

Seitzer、McDowell和其他科學(xué)家的分析表明，衛(wèi)星數(shù)量激增的影響將取決于幾個因素，其中包括觀測者的緯度、收集數(shù)據(jù)的時間和季節(jié)，以及所調(diào)查的問題。Johnson和他的同事正在觀察麥哲倫星云等星系，研究恒星形成并尋找未發(fā)現(xiàn)的矮星系，而Starlink衛(wèi)星已經(jīng)在他們某些影像上留下痕跡（圖1）。但是他說，這些衛(wèi)星不會對該小組的研究產(chǎn)生重大影響。當(dāng)衛(wèi)星穿過一個圖像時，“我們會進(jìn)行多次觀測，從而對像素的損失進(jìn)行平均。”

但是，這些衛(wèi)星可能會妨礙其他研究。在3年之內(nèi)，正在智利建設(shè)的Vera Rubin天文臺的科學(xué)家將啟動“時空遺產(chǎn)調(diào)查”（Legacy Survey of Space and Time），這是一個為期10年的項(xiàng)目，旨在捕獲最詳細(xì)的夜空信息。天文臺的望遠(yuǎn)鏡具有9.62平方度的巨大視場，是滿月面積的40倍以上[14]。它可以發(fā)現(xiàn)比用肉眼可以察覺到的弱一千萬倍的物體，這種靈敏度和廣度的結(jié)合使其特別容易受到衛(wèi)星的干擾[10]。該項(xiàng)目的研究人員估計(jì)，望遠(yuǎn)鏡中多達(dá)30%的圖像將包含衛(wèi)星蹤跡，并且由于衛(wèi)星造成的數(shù)據(jù)丟失，該調(diào)查可能需要額外4年的時間才能完成[15]。

Rubin天文臺的目標(biāo)之一——努力識別和跟蹤小行星也可能會受到影響。McDowell表示，目前在日落之后和日出之前最容易看到高空的Starlink衛(wèi)星，這也是探測小行星的最佳時機(jī)。他說：“你真的不會想錯過即將撞擊地球的小行星?！?/p>

圖1. 2019年11月18日，在智利的Cerro Tololo美洲天文臺，Starlink衛(wèi)星在由Blanco望遠(yuǎn)鏡拍攝的這張圖像中留下的細(xì)條紋。在333 s的曝光時間內(nèi)，有19顆衛(wèi)星通過了望遠(yuǎn)鏡的視野。這些衛(wèi)星于一周前發(fā)射，并且正在向最終的軌道高度為550 km的方向移動。圖片來源：DELVE Survey，CTIO/AURA/NSF，經(jīng)許可。

SpaceX公司對天文學(xué)家的抱怨做出了回應(yīng)，并在2020年4月宣布了重大變化，以減少衛(wèi)星的影響[16]，盡管這些變化不會改變已經(jīng)發(fā)射的Starlink衛(wèi)星。為了防止新的Starlink衛(wèi)星在進(jìn)入軌道時被看見，現(xiàn)在SpaceX公司將調(diào)整它們的方向，使它們在上升時緊貼太陽，減少它們反射的光量。一旦進(jìn)入軌道，未來將為所有的衛(wèi)星部署探測器，以降低反射率。SpaceX公司表示，對于用肉眼觀察天空的觀察者而言，這些變化意味著這些衛(wèi)星在發(fā)射后不久最容易被看見，然后在一周內(nèi)將消失[16]。

天文學(xué)家對SpaceX公司的聲明表示歡迎，但同時警告該計(jì)劃只能到此為止。McDowell表示，“這些變化將使衛(wèi)星變得更暗，在深夜被照亮的衛(wèi)星也會更少。”他說，SpaceX公司的新方法“改善了但并沒有消除”潛在的衛(wèi)星問題。

Johnson和其他研究人員表示，SpaceX公司和One-Web公司——在宣布破產(chǎn)之前曾與天文學(xué)家進(jìn)行過交流——因其為解決這一問題所做的努力而獲得好評。但是他們也希望看到新的規(guī)定，以確保衛(wèi)星運(yùn)營商能保護(hù)夜空。Johnson說：“必須有一種機(jī)制促使他們做正確的事。”