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天文学家的噩梦:SpaceX 星链卫星的那些麻烦

发布时间:2019-12-09 丨 阅读次数:

天文学家的噩梦:SpaceX 星链卫星的那些麻烦

  天文学家竭尽全力地寻找那些能够看到纯净夜空的最安静、最黑暗的角落。这也是为何大型望远镜都会放置在地球偏远地区的重要原因,例如智利安第斯山脉的山麓或夏威夷的山顶,而不是熙熙攘攘的城市附近,因此城市所产生的大量光污染会影响天文的探索。对于天文学家来说,在努力摆脱这些城市光污染的同时,新一代卫星可能会成为他们的噩梦。

  自 1957 年苏联成功发射人类首颗人造卫星 Sputnik 以来,目前人类已经向天空发射了数千枚各种尺寸大小、用于执行各种任务的人造卫星。得益于这些卫星,我们获得了现代化的天气预报、环境监测和可靠的移动互联网。

  如果在近地轨道上大约有 5000 颗卫星,但是只有大约 2000 颗卫星是处于活跃状态的。不过这种情况即将会迎来很大的变化。今年三月份,SpaceX 已经将 30 颗星链(StarLink)卫星发射到近地轨道;随后在本月初 SpaceX 又发射了 60 颗,这意味着当前在近地轨道上的总数达到了 120 颗。

  而根据公司的未来发展规划,公司将发射多达 42000 颗卫星,以实现覆盖全球让数十亿当前没有联网的用户连接在一起。SpaceX 希望在 2020 年在美国北部和加拿大提供这项服务,然后到 2021 年迅速扩大到人口稠密的全球范围。

  毋庸置疑,为全球用户提供网络覆盖是一项非常宏伟的目标。互联网连接是经济增长的巨大动力,并且通过提供对在线教育,医疗保健和金融工具的访问,在个人层面上极大地改变了人们的生活。而且,SpaceX 并不是唯一一家接受这一想法的公司。

  早在 2013 年,Facebook 就与诺基亚,三星和爱立信等一批技术巨头合作,推出了在这家社交网络巨头的带领下,该联盟尝试通过大型太阳能无人机将宽带覆盖到地面,让那些没有接入互联网的人享受到互联网的各种便利。而 Google 也通过 Project Loon 项目,使用高空热气球尝试实现类似的想法。

  在科技巨头倡导的诸多科技解决方案中,SpaceX 和亚马逊等公司瞄准了太空,尝试通过卫星方式提供网络覆盖。亚马逊的 Kuiper 项目也计划创建类似的宽带波束卫星群,而 OneWeb 是另一家致力于为整个全球建立宽带卫星网络的公司。

  只不过依托于现有的较为成熟技术,SpaceX 比这些公司更早地探索建立卫星宽带服务,并通过近地轨道运行来尝试商业化。今年 5 月在接受《时代》采访的时候,公司首席执行官埃隆 马斯克(Elon Musk)表示:

  我认为 [ 星链 ] 是帮助 SpaceX 开发更高级火箭和太空飞船的营收方式。而这也为未来在火星上建设能自我维持的城市以及在月球上建立基地提供保障。

  并不是说卫星此前没有出现在天文学家的观测图像中。但是 SpaceX 如此庞大规格的卫星数量,以及其他卫星公司战略布局,可以预见未来近地轨道将会变得非常拥挤。而这让天文学家感到强烈的不安。

  在首批 60 颗星链卫星发射之后,国际天文学联合会在今年 6 月发布的声明中写道:

  这些卫星的数量快速增加,最终可能会超过夜空中所有可见星星的数量,它们可能对地面和空间天文观测造成 巨大的负面影响 ,包括因反射和发光而严重破坏光学和近红外观测,因卫星通信频段的电磁辐射而影响射电天文学观测,以及存在与太空望远镜碰撞的风险等。

  尽管卫星互联网项目可能有良好的初衷,但它们不仅会影响天文观测,还会因破坏夜空而在人文意义等方面造成影响,国际天文学联合会呼吁有关各方共同探讨解决方案。

  美国天文学会光污染、射电干扰和空间碎片委员会主席杰弗里 霍尔说,天然夜空不仅是天文学家的资源,也属于所有仰望星空以理解和感受宇宙绚烂的人,破坏夜空带来的负面影响超出了天文学领域,期待有关各方加强合作,努力降低负面影响。

  对于天文学家来说,伊隆 马斯克(Elon Musk)的 SpaceX Starlink 就像你在观看《权力的游戏》的大结局时候,有人拿着一罐萤火虫偷偷溜进你的客厅并释放它们一样。

  包括 SpaceX 和天文学家在内,所有人都希望星链卫星不要总是那么闪亮。这些卫星在到达近地轨道之后会逐渐飞往距地 550 公里(340 英里)的更高轨道上。而在这个高度上通过天文学家的望远镜进行观测,至少在肉眼范围内不会那么明显。但未来几年当所有 42000 颗卫星都升空,那就是另外一幅场景了。

  在向外媒 New Atlas 的解释中,行星天文学家,美国国家科学基金会研究员斯蒂芬妮 汉密尔顿(Stephanie Hamilton)表示:

  这些星链卫星真的非常亮。 虽然确实比较亮,但是它们正在努力提升自己的轨道,并且变得越来越不可见,但是它们不会彻底不可见。这些卫星尤其会干扰日落之后和日出之前,而这两个时间段恰恰是进行科学研究的最佳时间,尤其是寻找对地球有潜在威胁的近地小行星。

  除了需要避免和太空岩石、地球之间的灾难性碰撞之外,星链卫星可能还需要尽可能避免其他类型的碰撞。目前,有数以万计的碎片以超过 20000 公里 / 小时(12,000 英里 / 小时)的速度在地球上旋转,这些碎片由炸毁的火箭,大块破碎的卫星和已消失的航天器组成。

  从目前的情况来看,这已经是一个重大问题。像 NASA 和 ESA 这样的大型太空机构,以及世界各地的不同研究小组,都在梦想着解决巨大的太空垃圾问题的方法,并且这被证明是一项艰巨的任务。

  那么在近地轨道上监控空间碎片和卫星有多困难?不妨可以看看发生在今年 9 月份发生在 ESA 的 Aeolus 卫星的事件,那么你就能预见星链卫星可能会遇到的危险。

  目前,追踪工作是由美国空军的一个分支机构 - 第 18 空间控制中队进行的,该中队的计算机系统充其量是过时的。

  计算机从世界各地的雷达和望远镜接收输入,并通过电子邮件发送有关可能发生碰撞的警报。每个有电子邮件的人都知道,电子邮件很容易丢失。

  实际上,这已经在 Starlink 首次发射之后发生了在夏天,其中一颗卫星与欧洲航天局卫星发生碰撞的可能性高于可接受的水平,而 SpaceX 错过了警报电子邮件,因此 ESA 必须移动它们卫星。

  SpaceX 将此错误归因于其寻呼系统中的一个错误,该错误阻止了 Starlink 操作员采取回避行动,并表示此后已进行调查并采取了纠正措施。该公司的 Starlink 项目网站记录了空间碎片问题,该公司通过电子邮件重申了其对的处理方式。

  凭借全面的空间安全功能自动避免碰撞,与所有其他卫星运营商共享高保真跟踪数据以及负责任的脱轨计划 Starlink 在满足或超过的在轨碎片减缓方面处于领先地位所有法规和行业标准。

  北卡罗莱纳州自然科学博物馆天体物理学家 Patrick Treuthardt 表示:

  SpaceX 是目前唯一一家发射卫星星座的公司,但将来可能并非如此。他们的 42,000 颗卫星已经是在轨道上跟踪的大量物体。如果其他人效仿,可能会导致问题。 NASA 的科学家唐纳德 凯斯勒(Donald Kessler)提出了一种称为凯斯勒效应的方案。这个想法是,如果轨道上物体的密度足够高,那么碰撞可能会引发碎片的级联效应,这可能会使某个轨道范围在一段时间内难以使用。

  向近地轨道再发射 42000 个人造卫星不仅是一个长期困扰天文学家的大问题,而且伴随着 42000 颗星链完整升空必然会产生更大的问题。目前虽然只有 120 颗卫星升空,但已经给天文探索带来了很大的负面影响,正如我们在下方动图中所看到的

  当您被授予使用大型望远镜进行观察的时候,你会发现你找不到你想要的了。您必须在分配时间上非常高效。您可能需要花费一整夜的时间来收集单个对象的长时间曝光,以便看到以前没有人观察到的细节。如果卫星碰巧进入您的视野并在您的一次曝光中反射阳光,那么它就会严重干扰你观察的目标。而且这种情况是无法挽救的,你将会失去这个宝贵的时间。

  天文图像中的卫星将作为贯穿图像的条纹出现。许多天文观测涉及重复拍摄同一天空区域的图像,这使天文学家可以更轻松地滤除图像之间的虚假差异。但是,这样做会增加计算成本,并且数据处理变得更加复杂。此外,Starlink 卫星的亮度特别耀眼,很容易使我们非常敏感的探测器不堪重负。发生这种情况时,软件校正就不再足够了明亮的卫星会导致图像中我们无法校正的其他伪像。

  除了影响天文学家所收集到的各种类型光线之外,星链卫星还可能会影响他们看不到的东西。射电天文学领域的重点是收集在宇宙中传播的无线电波,并将这些信号转化为无价的发现。例如快速射电爆发最近已成为现代天文学最引人入胜的谜团之一。人们担心,Starlink 卫星使用的无线电频率会使该过程变得更加困难。

  射电天文学家已经不得不与一个极具辐射噪声的地球作斗争,以进行观测。极少的无线电频带仍然未被污染,这些巨型星座有可能侵蚀这些频带,并使地球射电天文学受到严重破坏。

  SpaceX 已着手解决射电天文学家的担忧,并通过电子邮件指出,它已与欧洲射电天文学界和美国国家射电天文台(NROA)进行了积极协调,从而我们可以共同保护重要的射电天文活动。

  这可能意味着会给星链卫星定义禁区,或者配合无线电天线的工作位置将影响降到最低。SpaceX 表示 正在与世界各地的领先天文学小组积极合作,以确保其工作不受影响 ,并正在采取措施使 Starlink 卫星的底座变黑 。

  SpaceX 已经开始与天文学界合作,以降低其卫星的反射率,这会使它们变得更暗。这确实令我感到鼓舞,但据我所知,尚无有关何时将这种卫星变化纳入报告的报道。我想在那方面与 SpaceX 进行更多的交流。

  另一个问题就是让卫星如何变得不那么闪亮,但不可能满足社区的所有需求。Treuthardt 表示: 我在推特上读到一条评论,认为给星链卫星涂上 Vantablack。这可以缓解望远镜在光谱可见部分的观测问题,但对近红外观测没有太大帮助。

  SpaceX 有种种迹象表明它正在聆听有关其 Starlink 项目的担忧,并且已经存在了一段时间。但是很明显,要满足天文学界的需求,同时将数千颗卫星送入轨道,将是一项艰巨的任务。

  一个棘手的问题是,天文学家和发射这些卫星星座的公司都应该采取什么步骤。我认为,现阶段找不到一个简单的解决方案会让双方都满意。对于天文学家来说,理想的情况是在轨道上没有大量的反射体,或者使它们在天文学家观察到的波长和频率处 不可见 。我认为这不是可行的解决方案。

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