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SpaceX星鏈衛星是好是壞?天文學家罵罵咧咧地進入群聊


來源:中國科普博覽   時間:2019-12-04 15:00:11


出品:科普中國

制作:李會超

監制:中國科學院計算機網絡信息中心

2019年11月11日,SpaceX的第二批總計60顆“星鏈”(Starlink)衛星由獵鷹9號火箭發射升空。

這批衛星是馬斯克龐大的太空互聯網衛星計劃中的一小部分。按照馬斯克的設想,星鏈將在2020年代中期達到12000顆的規模。到那時,世界上很多沒有高速光纖互聯網接入地區的用戶,只需通過一個額外的小型衛星接收設備,就能獲得高速可靠的互聯網服務。除了SpaceX外,美國的亞馬遜公司和OneWeb公司也在推進類似的項目,不過規模就比星鏈要小很多,建成后衛星數量都在幾千顆左右。

批量發射入軌過程中的星鏈衛星 (圖片來源:SpaceX)

這樣一些看起來造福人類的項目,卻引起了一些天文學家的焦慮。為了獲取一片純凈的夜空,他們不得不將望遠鏡修建到人跡罕至的智利阿馬索內斯山、夏威夷莫納基亞等地,有時甚至還要為了修望遠鏡和原住民打起圣山的官司。而馬斯克的星鏈,有可能毀掉這最后一片沒有光污染的干凈的天空。

歐洲南方天文臺設置在智利的甚大望遠鏡使用激光測量大氣參數的實時圖像

(圖片來源:歐洲南方天文臺)

星鏈的反光,或給光學巡天觀測帶來巨大困擾

星鏈和其他公司準備部署的互聯網衛星系統,均計劃采用近地軌道上的通信衛星。相比同步軌道上的通信衛星,近地軌道上的通信衛星能夠提供更短的通信延遲,能夠盡量減少“高PING戰士”的出現。

由于近地軌道上的衛星相對于地面是運動的,必須部署大量衛星,才能保證特定地點上空有數量足夠多的衛星能為用戶提供服務。因此,衛星星座所包含的衛星數量往往十分龐大,動輒成千上萬個。同時,幾年來微小衛星技術的快速發展,使放衛星的門檻大大降低,也使這種衛星星座的構建成為了可能。

星鏈衛星 (圖片來源:SpaceX)

對于天上一閃一閃亮晶晶的衛星劃過夜空,天文學家們并不陌生。之前曾經一度失敗又被美國軍方接管的銥星系統,其發出的銥星閃光偶爾也會進入望遠鏡的視野中。然而,由于銥星的數量僅僅為幾十顆,這種情況出現的概率并不大,天文學家們也沒有十分在意。

天文望遠鏡的一個指標參數是“視場”。當我們拿手機拍照時,如果你使用變焦功能將景物放大、推近,那么此時成像的視場就較小,反之,如果你將景物縮小、拉遠,此時的成像的視場就比較大。在視場較小時,可以更突出的顯示某一個特定的物體,視場較大時則可以拍到景物的全貌。對于天文望遠鏡來說,同樣具有也有視場較小和視場較大的望遠鏡,前者一般用來對選定的天體進行比較細致的觀測,而后者則一般用于大范圍巡天式觀測,相當于不停的在給整個天空拍照,進行天體的“人口普查”,使天文學家們獲得各個天體變化的批量數據。

巡天觀測的用處是多方面的,例如,天文學家們可以利用巡天觀測海選天體,找到可能有潛在新發現的天體,再用視場較小的望遠鏡獲得較為精細的信息。同時,大量獲取的天體信息還能使科學家們得到一些共性的結論,或是在大量天體中挑選出一些反常的天體加以研究。此外,巡天觀測重復觀測同一個區域間隔的時間不會很長,可以支持時域天文學中對一些快速變化現象的研究。

當通信衛星星座將在軌的衛星數量提升了幾個數量級后,首先遭殃的也許就是這類進行巡天觀測的光學望遠鏡。據美國《國家地理》網站援引的斯坦福大學天文學家 Bruce Macintosh的計算結果,美國在智利建立的大型綜合巡天望遠鏡(LSST),在未來黃昏后一兩個小時內拍攝的圖像中,每副圖像中可能都會侵入1-4顆星鏈衛星。黃昏之后,太陽剛剛落到地平線以下不遠,如果位置合適,衛星就能將照射到它上面的陽光全部反射到地面上,在天空中呈現非常亮的光點。這種現象在中緯度地區的夏季尤其明顯。

正在建設中的LSST (圖片來源:lsst.org)

而令天文學家們感到困惑和更加憂心的是,星鏈衛星反射陽光的能力似乎比其他的衛星更強。在兩批星鏈衛星發射后,在全世界范圍內有不少業余愛好者,以追逐星鏈的閃光為樂。

國際天文聯合會公布的天文觀測受到影響的實例。圖中的亮點為美國洛厄爾天文臺試圖觀測的天體,圖中的亮線為星鏈衛星侵入望遠鏡視野后留下的痕跡。

(圖片來源:國際天文聯合會)

LSST的主要任務,包括暗物質、暗能量現象的觀測研究,以及搜索對地球產生潛在的相撞威脅的小天體,可以說是一個既為人類揭示物質世界新的基礎規律,又為全人類未來可能的滅頂之災提供防護的天文設備。假如它的觀測被星鏈或者其他通信衛星星座嚴重干擾,遭受損失的不只是這臺望遠鏡的金主美國能源部和進行相關研究的科學家。除了LSST外,目前全世界范圍內還有諸多巡天觀測項目,例如美國的斯隆數字巡天和我國的LAMOST巡天望遠鏡。如果星鏈的光污染問題趨于嚴重,他們和LSST一樣,也都會是潛在的受害者。

馬斯克回應,卻仍無法打消天文界疑慮

對于天文界的擔憂,馬斯克一開始回應說天上的衛星那么多,他多放一些也無妨。而且,人們看到的明顯的光點,是星鏈衛星剛剛入軌時的狀態。隨著他們逐漸升高高度到工作軌道,亮度會減弱到沒有影響的程度。然而,哈佛-史密松天體物理中心的天文學家 Jonathan McDowell發現,今年5月發射的首批星鏈衛星,雖然高度已經升高到約550公里,但其亮度仍然能夠達到約4到7等的視星等,不但可以干擾望遠鏡的觀測,甚至人們用肉眼都有可能看到。

荷蘭天文愛好者拍攝的星鏈衛星劃過夜空的圖像。(圖片來源:Phys.org)

在發現天文學家的質疑聲音越來越強,甚至國際天文聯合會都對此正式發表聲明后,馬斯克又發推文說他們將在未來采取措施,減少衛星的反光,從而降低對天文觀測的干擾。但這并沒有打消天文學家的疑慮。除了推特上發布的承諾,SpaceX并沒有給出來關于如何減少衛星反光的細節,天文學家們也拿不到未來星鏈軌道的信息,無法開展系統性的研究來確切的評估星鏈對光學天文觀測的威脅。

將地面望遠鏡搬去太空以解決光污染問題?不可行

有些人說,在近地軌道上運行的哈勃太空望遠鏡取得了舉世矚目的成功,未來將要上天的韋伯太空望遠鏡又會將可見光波段的太空望遠鏡的觀測能力提升到一個新高度,人類為什么還需要繼續在地面上建設望遠鏡、開展天文觀測呢?

實際上,雖然太空望遠鏡無需考慮大氣層以及衛星閃光對觀測的影響,但其口徑依然無法與地基望遠鏡相比。而口徑越大,即意味著望遠鏡能夠獲得越好的角分辨率,能夠看清越細致的結構。同時,地基望遠鏡能夠不斷更新升級設備,將最新的技術應用到觀測中。而太空望遠鏡一旦上天就意味著所有儀器的參數將會鎖定,無法再更新換代。

斯隆數字巡天使用的望遠鏡。(圖片來源 sdss.org)

此外,對于巡天觀測來講,如果要將望遠鏡發射到太空之中,就必須考慮天地通信帶寬對觀測數據量的限制,而在地面上則沒有這個問題。最后,將任何東西弄到太空之中,資金成本和技術復雜度就會發生巨大的膨脹。目前,韋伯太空望遠鏡已經花掉了NASA將近100億美元的巨款,上天依舊遙遙無期。天文學界估計找不到哪個金主,能夠將現有的天文觀測能力全部搬到太空中去。

干擾射電觀測、潛在太空垃圾,星鏈衛星問題重重

即便星鏈真的不再閃光,消除對光學天文的威脅,其對射電天文學的威脅依然存在。射電天文通過接收天體發射的無線電信號來進行觀測,因此一般的射電望遠鏡在外觀上更像是一個巨大的衛星天線,或者說,一個巨大的鍋。近年來,隨著無線電應用的日益增加,射電天文學家們一直在通過國際通信協會等組織與衛星通訊等其他無線電用戶周旋,希望頻譜空間中進行天文觀測的頻段不被人為產生的信號干擾。而一旦低軌上部署了大量的互聯網通信衛星,射電天文學家們對頻率的“爭奪”將變得更加困難。同時,射電望遠鏡的口徑動輒數十米,FAST這種依地形而建的射電望遠鏡口徑更達到了500米。在太空中建設如此口徑的射電望遠鏡,目前看還沒有具體可行的方案。

除了對天文觀測的影響外,太空垃圾也是星鏈可能引起的一個潛在問題。今年5月升空的首批60顆星鏈衛星中,已經有3顆與地面失聯,成為了潛在的太空垃圾。雖然高層大氣的阻力能夠使他們自然墜落,但從失聯到墜落需要較長的時間。根據NASA太空碎片項目辦公室的一項研究,數量達到數千顆規模的衛星星座,至少要保證99%的衛星在壽命即將接近時,都能主動受控離軌,快速墜入大氣層燒毀,才能保證近地軌道可能的衛星相撞幾率不陷入失控的狀態。這項研究假設的是衛星工作的軌道高度大概在1000公里左右,而目前星鏈計劃采用的550公里的軌道高度。對于星鏈,雖然由于軌道大氣阻力更強,太空垃圾問題爆發的可能雖然有所降低,但SpaceX似乎沒有進行類似的研究,來確定的給出星鏈系統衛星可靠性與太空垃圾風險的關系。

星鏈衛星星座的軌道構想圖。(圖片來源:technology.org/)

結語

如果你想擁有一臺新車,那么首先要獲得購車資格,還要辦理一系列的手續,繳納相關的費用,并在日常行車中遵守交通法規。所有這些,都是為了公共資源能夠被有效有度的分配使用,保持城市可持續的穩定運行。而在太空之中,仍然沒有具備強制力的國際法律或公約維護相應的秩序。當SpaceX和其他企業準備雄心勃勃的占領太空時,卻沒有哪個國際機構或組織能夠規范他們的行為,為人類共有的夜空和軌道提供足夠的保護。

和汽車輪船飛機不同的是,航天器只要入軌,就要圍著整個地球轉甚至飛離地球,使用的是全世界、全人類的資源。如何讓太空不陷入叢林法則造成的種種問題,也許是一個更重要的問題。

參考資料:

1.Liou et. al., NASA ODPO‘s Large Constellation Study, Orbital Debris Quarterly News, 22(3), 2018

2.https://www.nature.com/articles/d41586-019-03446-y

3.https://www.iau.org/news/announcements/detail/ann19035/

4.https://www.space.com/spacex-starlink-astronomy-observations.html

5.https://www.space.com/astronomy-group-worries-about-starlink-science-interference.html

6.https://spacenews.com/little-legal-recourse-for-astronomers-concerned-about-starlink/

7.https://www.nationalgeographic.com.au/space/will-elon-musks-starlink-satellites-harm-astronomy-heres-what-we-know.aspx

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