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科技報導

[图]天文學家的噩夢:SpaceX星鏈衛星的那些麻煩



天文學家竭盡全力地尋找那些能夠看到純淨夜空的最安靜、最黑暗的角落。這也是為何大型望遠鏡都會放置在地球偏遠地區的重要原因,例如智利安第斯山脈的山麓或夏威夷的山頂,而不是熙熙攘攘的城市附近,因此城市所產生的大量光污染會影響天文的探索。對於天文學家來說,在努力擺脫這些城市光污染的同時,新一代衛星可能會成為他們的噩夢。

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全民上網

自1957年蘇聯成功發射人類首顆人造衛星Sputnik以來,目前人類已經向天空發射了數千枚各種尺寸大小、用於執行各種任務的人造衛星。得益於這些衛星,我們獲得了現代化的天氣預報、環境監測和可靠的移動互聯網。

如果在近地軌道上大約有5000顆衛星,但是只有大約2000顆衛星是處於活躍狀態的。不過這種情況即將會迎來很大的變化。今年三月份,SpaceX已經將30顆星鏈(StarLink)衛星發射到近地軌道;隨後在本月初SpaceX又發射了60顆,這意味著當前在近地軌道上的總數達到了120顆。

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而根據公司的未來發展規劃,公司將發射多達42000顆衛星,以實現覆蓋全球讓數十億當前沒有聯網的用戶連接在一起。 SpaceX希望在2020年在美國北部和加拿大提供這項服務,然後到2021年迅速擴大到人口稠密的全球範圍。

毋庸置疑,為全球用戶提供網絡覆蓋是一項非常宏偉的目標。互聯網連接是經濟增長的巨大動力,並且通過提供對在線教育,醫療保健和金融工具的訪問,在個人層面上極大地改變了人們的生活。而且,SpaceX並不是唯一一家接受這一想法的公司。

早在2013年,Facebook就與諾基亞,三星和愛立信等一批技術巨頭合作,推出了Internet.org。在這家社交網絡巨頭的帶領下,該聯盟嘗試通過大型太陽能無人機將寬帶覆蓋到地面,讓那些沒有接入互聯網的人享受到互聯網的各種便利。而Google也通過Project Loon項目,使用高空熱氣球嘗試實現類似的想法。

在科技巨頭倡導的諸多科技解決方案中,SpaceX和亞馬遜等公司瞄準了太空,嘗試通過衛星方式提供網絡覆蓋。亞馬遜的Kuiper項目也計劃創建類似的寬帶波束衛星群,而OneWeb是另一家致力於為整個全球建立寬帶衛星網絡的公司。

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圖片來自於 SpaceX

只不過依託於現有的較為成熟技術,SpaceX比這些公司更早地探索建立衛星寬帶服務,並通過近地軌道運行來嘗試商業化。今年5月在接受《時代》採訪的時候,公司首席執行官埃隆·馬斯克(Elon Musk)表示:

我認為[星鏈]是幫助SpaceX開發更高級火箭和太空飛船的營收方式。而這也為未來在火星上建設能自我維持的城市以及在月球上建立基地提供保障。

光污染和潛在的碰撞

並不是說衛星此前沒有出現在天文學家的觀測圖像中。但是SpaceX如此龐大規格的衛星數量,以及其他衛星公司戰略佈局,可以預見未來近地軌道將會變得非常擁擠。而這讓天文學家感到強烈的不安。

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Eckhard Slawik

在首批60顆星鏈衛星發射之後,國際天文學聯合會在今年6月發布的聲明中寫道:

這些衛星的數量快速增加,最終可能會超過夜空中所有可見星星的數量,它們可能對地面和空間天文觀測造成“巨大的負面影響”,包括因反射和發光而嚴重破壞光學和近紅外觀測,因衛星通信頻段的電磁輻射而影響射電天文學觀測,以及存在與太空望遠鏡碰撞的風險等。

儘管衛星互聯網項目可能有良好的初衷,但它們不僅會影響天文觀測,還會因破壞夜空而在人文意義等方面造成影響,國際天文學聯合會呼籲有關各方共同探討解決方案。

美國天文學會光污染、射電干擾和空間碎片委員會主席杰弗裡·霍爾說,天然夜空不僅是天文學家的資源,也屬於所有仰望星空以理解和感受宇宙絢爛的人,破壞夜空帶來的負面影響超出了天文學領域,期待有關各方加強合作,努力降低負面影響。

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加拿大多倫多大學鄧洛普天文及天體物理研究所(Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics)在11月23日發布推文

對於天文學家來說,伊隆·馬斯克(Elon Musk)的SpaceX Starlink就像你在觀看《權力的遊戲》的大結局時候,有人拿著一罐螢火蟲偷偷溜進你的客廳並釋放它們一樣。

包括SpaceX和天文學家在內,所有人都希望星鏈衛星不要總是那麼閃亮。這些衛星在到達近地軌道之後會逐漸飛往距地550公里(340英里)的更高軌道上。而在這個高度上通過天文學家的望遠鏡進行觀測,至少在肉眼範圍內不會那麼明顯。但未來幾年當所有42000顆衛星都升空,那就是另外一幅場景了。

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Lowell Observatory拍攝的當星鏈通過時候的天文圖

在向外媒New Atlas的解釋中,行星天文學家,美國國家科學基金會研究員斯蒂芬妮·漢密爾頓(Stephanie Hamilton)表示:

這些星鏈衛星真的非常亮。雖然確實比較亮,但是它們正在努力提升自己的軌道,並且變得越來越不可見,但是它們不會徹底不可見。這些衛星尤其會干擾日落之後和日出之前,而這兩個時間段恰恰是進行科學研究的最佳時間,尤其是尋找對地球有潛在威脅的近地小行星。

除了需要避免和太空岩石、地球之間的災難性碰撞之外,星鏈衛星可能還需要盡可能避免其他類型的碰撞。目前,有數以萬計的碎片以超過20000公里/小時(12,000英里/小時)的速度在地球上旋轉,這些碎片由炸毀的火箭,大塊破碎的衛星和已消失的航天器組成。

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從目前的情況來看,這已經是一個重大問題。像NASA和ESA這樣的大型太空機構,以及世界各地的不同研究小組,都在夢想著解決巨大的太空垃圾問題的方法,並且這被證明是一項艱鉅的任務。

那麼在近地軌道上監控空間碎片和衛星有多困難?不妨可以看看發生在今年9月份發生在ESA的Aeolus衛星的事件,那麼你就能預見星鏈衛星可能會遇到的危險。

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漢密爾頓說:

目前,追踪工作是由美國空軍的一個分支機構-第18空間控制中隊進行的,該中隊的計算機系統充其量是過時的。

計算機從世界各地的雷達和望遠鏡接收輸入,並通過電子郵件發送有關可能發生碰撞的警報。每個有電子郵件的人都知道,電子郵件很容易丟失。

實際上,這已經在Starlink首次發射之後發生了–在夏天,其中一顆衛星與歐洲航天局衛星發生碰撞的可能性高於可接受的水平,而SpaceX錯過了警報電子郵件,因此ESA必須移動它們衛星。

SpaceX將此錯誤歸因於其尋呼系統中的一個錯誤,該錯誤阻止了Starlink操作員採取迴避行動,並表示此後已進行調查並採取了糾正措施。該公司的Starlink項目網站記錄了空間​​碎片問題,該公司通過電子郵件重申了其對的處理方式。

漢密爾頓說道

憑藉全面的空間安全功能–自動避免碰撞,與所有其他衛星運營商共享高保真跟踪數據以及負責任的脫軌計劃– Starlink在滿足或超過的在軌碎片減緩方面處於領先地位所有法規和行業標準。

北卡羅萊納州自然科學博物館天體物理學家Patrick Treuthardt表示:

SpaceX是目前唯一一家發射衛星星座的公司,但將來可能並非如此。他們的42,000顆衛星已經是在軌道上跟踪的大量物體。如果其他人效仿,可能會導致問題。 NASA的科學家唐納德·凱斯勒(Donald Kessler)提出了一種稱為凱斯勒效應的方案。這個想法是,如果軌道上物體的密度足夠高,那麼碰撞可能會引發碎片的級聯效應,這可能會使某個軌道範圍在一段時間內難以使用。

向近地軌道再發射42000個人造衛星不僅是一個長期困擾天文學家的大問題,而且伴隨著42000顆星鏈完整升空必然會產生更大的問題。目前雖然只有120顆衛星升空,但已經給天文探索帶來了很大的負面影響,正如我們在下方動圖中所看到的

Treuthardt表示

當您被授予使用大型望遠鏡進行觀察的時候,你會發現你找不到你想要的了。您必須在分配時間上非常高效。您可能需要花費一整夜的時間來收集單個對象的長時間曝光,以便看到以前沒有人觀察到的細節。如果衛星碰巧進入您的視野並在您的一次曝光中反射陽光,那麼它就會嚴重干擾你觀察的目標。而且這種情況是無法挽救的,你將會失去這個寶貴的時間。

漢密爾頓解釋說:

天文圖像中的衛星將作為貫穿圖像的條紋出現。許多天文觀測涉及重複拍攝同一天空區域的圖像,這使天文學家可以更輕鬆地濾除圖像之間的虛假差異。但是,這樣做會增加計算成本,並且數據處理變得更加複雜。此外,Starlink衛星的亮度特別耀眼,很容易使我們非常敏感的探測器不堪重負。發生這種情況時,軟件校正就不再足夠了–明亮的衛星會導致圖像中我們無法校正的其他偽像。

除了影響天文學家所收集到的各種類型光線之外,星鏈衛星還可能會影響他們看不到的東西。射電天文學領域的重點是收集在宇宙中傳播的無線電波,並將這些信號轉化為無價的發現。例如快速射電爆發最近已成為現代天文學最引人入勝的謎團之一。人們擔心,Starlink衛星使用的無線電頻率會使該過程變得更加困難。

漢密爾頓說:

射電天文學家已經不得不與一個極具輻射噪聲的地球作鬥爭,以進行觀測。極少的無線電頻帶仍然未被污染,這些巨型星座有可能侵蝕這些頻帶,並使地球射電天文學受到嚴重破壞。

那麼該從哪處著手解決呢?

SpaceX已著手解決射電天文學家的擔憂,並通過電子郵件指出,它已與歐洲射電天文學界和美國國家射電天文台(NROA)進行了積極協調,從而我們可以共同保護重要的射電天文活動。

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這可能意味著會給星鏈衛星定義禁區,或者配合無線電天線的工作位置將影響降到最低。 SpaceX表示“正在與世界各地的領先天文學小組積極合作,以確保其工作不受影響”,並正在採取措施使“ Starlink衛星的底座變黑”。

漢密爾頓說:

SpaceX已經開始與天文學界合作,以降低其衛星的反射率,這會使它們變得更暗。這確實令我感到鼓舞,但據我所知,尚無有關何時將這種衛星變化納入報告的報導。我想在那方面與SpaceX進行更多的交流。

另一個問題就是讓衛星如何變得不那麼閃亮,但不可能滿足社區的所有需求。 Treuthardt表示:“我在推特上讀到一條評論,認為給星鏈衛星塗上Vantablack。這可以緩解望遠鏡在光譜可見部分的觀測問題,但對近紅外觀測沒有太大幫助。”

SpaceX有種種跡象表明它正在聆聽有關其Starlink項目的擔憂,並且已經存在了一段時間。但是很明顯,要滿足天文學界的需求,同時將數千顆衛星送入軌道,將是一項艱鉅的任務。

Treuthardt說:

一個棘手的問題是,天文學家和發射這些衛星星座的公司都應該採取什麼步驟。我認為,現階段找不到一個簡單的解決方案會讓雙方都滿意。對於天文學家來說,理想的情況是在軌道上沒有大量的反射體,或者使它們在天文學家觀察到的波長和頻率處“不可見”。我認為這不是可行的解決方案。

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