激增的近地軌道衛星預示科學和社會將出現變化

編譯 高斯寒

根據向通信監管理機構提交許可申請數量做出的預測是，到2027年可能有數十萬顆人造衛星在近地軌道中環繞地球運行。2019年大約有3 300顆活躍和廢棄的近地軌道衛星，而現在的數字是約6 300顆。

當全球各地的公司急匆匆地發射大量衛星進入近地軌道，天文學家們在考慮潛在影響：太空能容納多少衛星？假如超出了限度，會發生什么事？越來越多的發射、燒毀和太空垃圾對于地球表面和大氣層環境會造成什么影響？天體觀測和發現會受到怎樣的影響？天文學家、衛星公司和其他利益相關方能做些什么來減輕其負面影響？

亞倫·博利（Aaron Boley）是位于加拿大溫哥華的不列顛哥倫比亞大學的一位行星天文學家，對于太空的可持續利用和開發很感興趣。他注意到，人類越來越多地依賴太空活動。全球導航定位，銀行業和其他用途的時間同步，全球安保、災難救濟、災后恢復的監控活動，理解氣候變化，提供互聯網接入等都是范例。

近地軌道能容納多少衛星星座？上方圖片展示了南緯30度日落時分觀察到的天空（以球極平面投影記錄）。左上方的圖片中包括了現有的衛星，而右上方的圖片納入了星鏈、一網和柯伊伯計劃的完整系統。下方的兩張圖片展現了從衛星不斷飛過的太空中觀察到的地球。同樣，左下方的圖片中包括現有的衛星，右下方的圖片中納入了三個計劃中的超級衛星星座

“我們想要更多地利用太空，因為它能大幅改善人類在地球上的生活?！辈├f道。但博利指出，平流層臭氧層破洞、海洋中塑料的積聚、氣候變化問題正告誡“我們人類有驚人的低估自己對環境造成影響的能力”，對于太空的無節制利用“有可能降低未來利用太空的潛力”。

計劃構建衛星星座的多家公司之中，處在最前列的是埃隆·馬斯克（Elon Musk）的SpaceX公司。目前星鏈（Starlink）項目大約有2 000顆衛星進入軌道，完整的系統預計擁有大約4萬顆衛星。等到未來SpaceX和其他公司將6.5萬顆衛星送入軌道時，“你在夜空中看到的每15個光點中就有一個是移動的衛星?！彼_曼莎·勞勒（Samantha Lawler）說道，她在位于加拿大薩斯喀徹溫省的里賈納大學研究柯伊伯帶（太陽系邊緣存在一個由冰物質運行的帶狀區域）。一網（OneWeb）公司已經發射了計劃中由6 372顆衛星組成的衛星星座（相比更早時候48 000顆衛星的計劃縮水不少）中的358顆。亞馬遜公司的柯伊伯計劃（Project Kuiper）準備發射7 774顆衛星。其他發射衛星星座的計劃包括中國衛星網絡集團有限公司，計劃發射12 992顆衛星；盧旺達計劃發射超過327 000顆衛星；加拿大公司開普勒通信已經發射了若干衛星，計劃打造——或者說是出售位置——擁有11.5萬顆衛星的衛星星座。

“我們在改變天空?！比A盛頓大學的天文學家梅雷迪絲·羅爾斯（Meredith Rawls）說道， “我們處于轉折點。”她在為智利中北部建造中的薇拉·魯賓天文臺做數據管道工作。地球附近飄浮的物體數量激增，使得夜空更加明亮，減少了人們可以看到的星星的數量。衛星和太空垃圾讓望遠鏡觀測愈加復雜。

明亮的衛星

衛星反射陽光時變得可見。亮度取決于衛星的材料、尺寸、形狀、位置、方向和高度，地面上的緯度、季節和夜晚的時間，地平線上的觀測角，望遠鏡主鏡口徑等因素。對于一個南緯30度（薇拉·魯賓天文臺的緯度）的觀測者，600公里高度的衛星會在黃昏和黎明反射數小時的陽光。

那么，一顆衛星掠過望遠鏡的視野有什么危害？天文學家尚未有完整的答案。哈佛-史密森天體物理中心的喬納森·麥克道爾（Jonathan McDowell）說，存在太多未知因素而無法準確預測。到底會有多少衛星被發射送入近地軌道？它們的反射性會怎樣？會實施什么緩解措施？

然而，衛星的一些影響很清楚：從光學波長來看，寬視野、長曝光時間的望遠鏡受到的影響最大。衛星在黃昏和黎明的微明時刻最為可見，這會讓偵測近地小行星變得更加困難，一些小行星可能被遺漏。超新星爆炸之類轉瞬即逝的天文事件可能遭到隱藏。麥克道爾說：“你不知道的微弱事件可能遭到遺漏。”

“你有麻煩了”

2019年5月，SpaceX公司發射第一批60顆星鏈衛星后，薇拉·魯賓天文臺首席科學家安東尼·泰森（Anthony Tyson）開始調查衛星對于天文觀測的影響。加州大學戴維斯分校實驗室做的實驗中，泰森和同事們使用魯賓天文臺將會使用的同款電荷耦合器件（CCD）芯片，發現衛星劃出的條紋伴隨著一些由電子器件非線性串擾引起的平行條紋。他們的計算表明，假如衛星的亮度不超過七等星（恰巧也是裸眼在黑暗晴朗的夜空中能看見的天體視星等極限），那么“幽靈條紋”能夠用計算方法移除。

“有10萬顆衛星的話，薇拉·魯賓天文臺的每次曝光會有至少一條衛星條紋劃過焦平面?！碧┥f道。就算“幽靈條紋”受到抑制，主條紋仍然需要被遮蓋，以失去一塊觀測區域為代價。

歐洲南方天文臺在智利建造中的40米極大望遠鏡以及其他大型望遠鏡（巨型麥哲倫望遠鏡和30米望遠鏡）具有更小的視野，但依然會受到影響，因為它們通常曝光時間很長。

多目標光譜望遠鏡也容易受到損害。由小型馬達定位單條光纖，從選定目標拾取光線?！耙恍┛蓱z的天文學家將不得不去琢磨哪條光纖被飛掠過的衛星反射光污染?！碧┥f道，“以識別干擾而論，他們的活比我們在薇拉·魯賓天文臺的工作困難得多。我們是立刻就知道觀測畫面中是否出現條紋?！?/p>

羅爾斯說：“對于一臺寬視野的望遠鏡來說，沒有躲閃的余地?！钡型h鏡都會受到影響，差別只在于程度不一。麥克道爾說，假如平均每個視野里捕捉到的條紋不到一條，那么受污染的圖像可以徑直丟棄或剪裁掉。但如果發展出定型的機制，每張圖像中出現許多道條紋，那么“你有麻煩了”。

射電天文學特別容易受到損害，因為衛星發出的下行鏈路信號壓倒了來自天體的信號。頻譜的某些區段受到國際電信聯盟（ITU）規章的保護。哈維·李斯特（Harvey Liszt）是美國國家射電天文臺的頻譜管理員、國際射電天文與空間科學頻率分配科學委員會（IUCAF）主席。他說，ITU的保護僅此而已?，F在射電天文學家們希望觀察頻譜更多的區段，比幾十年前通過規章時保護的區段遠遠更多?！耙驗橛钪嬖谂蛎?，我們收到遙遠處不斷后退的源頭發出的紅移信號?！?/p>

此外，在偏僻地點對射電望遠鏡的特別保護措施僅對地面源適用?！拔覀兠鎸πl星毫無保護。”在澳大利亞和南非建設中的平方千米陣列天文臺（SKAO）的頻譜管理人員費德里科·迪弗魯諾（Federico Di Vruno）說道。射電望遠鏡也許能縮短曝光時間，讓干凈的數據最大化，從而在部分程度上適應新情況。干涉測量術也有幫助，能稀釋來自衛星的信號造成的影響。

“新的衛星星座給我們查看天空的方式帶來大變化?！钡细ヴ斨Z說，“難點在于弄懂干擾是如何產生的，要如何避免直接的下行鏈路信號和外溢噪聲?！崩钏固刈⒁獾剑潆娞煳膶W在過去幾十年里一直在與衛星斗爭。“壞事將會發生，就像天要塌下來，只是不會全部塌下來，因為衛星不會用掉整個頻譜?！?/p>

天文學家也在構思硬件解決方案。在射電天文學中，可以修改接收設備來掩蔽衛星信號。也可以將一臺小型廣角光學望遠鏡放置在一臺大得多的望遠鏡附近，以識別光譜研究中被衛星反射沖擊的纖維?！凹偃缒阃度胱銐蚨嗟腻X，那也許行得通。”泰森說，“你得要知道衛星的存在，知道它有多亮，知道要減去多少太陽光譜?！?/p>

產業與監管措施

“天文學的主要問題是現實中的幾乎零監管。目前的監管格局面對這些大規模衛星項目無法勝任?！卑驳卖敗ね匪梗ˋndrew Williams）說道，他在歐洲南方天文臺負責處理對外關系，天文學家、衛星公司等正在與各個國家和國際機構合作制訂政策。

2022年2月的年會上，聯合國和平利用外層空間委員會（UNCOPUOS）的科學技術子委員會討論了為了科學和社會讓天空保持安靜的問題?！八麄優槲覀冊诿髂甑臅h中增加了一個議程。這是一項壯舉?！泵绹鴩铱茖W基金會國家光學紅外天文研究實驗室（NOIRLab）的康妮·沃克（Connie Walker）說道，“政策層面的工作進度緩慢，等級分明，但最終事情得以完成?！倍?，因為聯合國通過共識來運作，一旦被采納，它們能產生重大影響?！拔覀兿Ｍ鸘NCOPUOS支持最佳實踐的指南。”威廉斯說，“這將創造出一個社會規范來供大家思考。我們也要求承認天文學是太空領域的一部分?！?/p>

加拿大羅斯尼天體物理天文臺在2021年5月收集到2小時的天文觀測圖像，出現多條相互交叉的衛星條紋。圖片的中心附近是一個球狀星團，而在其不遠處的是一顆彗星

理查德·格林（Richard Green）是亞利桑那州大學斯圖爾德天文臺負責政府關系的助理主任。“一個產業組織正在開發太空利用的最佳實踐，天文學通過與衛星公司合作將走得最遠，發展得最快?！备窳终f，“最終，緩解措施應當成為獲取發射或運營許可證必要條件”。

確實，技術進步的步伐遠遠超過法律框架的形成，所以就中短期來看，天文學家將被迫仰賴衛星公司的善意?！靶l星公司不是打算要毀掉天文學，”華盛頓大學的羅爾斯說，“但它可能存在副作用?！彼⒁獾剑\營方的任何緩解措施都是自愿行為。“沒有什么規定能強制衛星公司將天文學界的需要納入考量?！?/p>

SpaceX公司將衛星涂成暗色，使得它們的反射性下降，但這會使得衛星變得過熱。遮陽板更好用，但它們又阻擋了衛星之間的激光信號。其他減少反射的方法包括調整衛星的方向，優化表面材料。亞馬遜公司的一位發言人表示，今年秋天公司會用柯伊伯計劃的原型任務試驗緩解方法。

高度越高，地球的陰影越少，衛星在夜晚的可視時間就越長，衛星也移動得更慢。所以，即使高度更高的衛星會比高度較低的衛星更加暗，但較慢的移動速度意味著望遠鏡攝像機中的一個給定像素會拾取更多光?！坝捎趯Φ鼗煳膶W的影響，對于太空垃圾生成和壽命的關切，最優先的建議是根除或強力管控600公里以上高度軌道中的大型衛星星座。”美國國防咨詢小組JASON在2020年報告中指出。一網公司的衛星處在1 200公里高度的軌道，但其他大多數公司計劃中的衛星星座高度都在600公里以下。

天文學家說，對于一些天文觀測，關于衛星位置和軌跡的準確信息會極其有用——它們能記錄數據收集的時間。但軌跡有時會出于某些原因而臨時調整，譬如避免與其他衛星或太空垃圾碰撞?！凹偃缫恍┕緲淞⒘说浞?，”羅爾斯說，“我們希望其他公司會采取類似的緩解措施。”

協調保護措施

關于如何應對激增的衛星數量的相關思考是新成立的“保護黑暗和安靜天空免受衛星星座干擾中心”的工作范疇。該虛擬研究中心在4月1日由國際天文學聯合會（IAU）發起，聯合主辦方包括NOIRLab和SKAO，共設立4個分部，分別聚焦政策、產業和技術、社區參與、數據和軟件。沃克與迪弗魯諾擔任聯席主管，中心會努力協調所有相關方面的舉措，統一天文學界的聲音，與產業界一起出力。

中心在前三年從國際天文學聯合會獲得13.5萬歐元（約95.5萬元人民幣）資金。數據和軟件分部的任務是創建衛星干擾相關信息的資料庫，編寫軟件來讓衛星干擾影響最小化。沃克說：“解決方案不會放之四海而皆能用，但運氣好的話，我們能創造出一些工具，經過調整就能適用于不同情形。主要挑戰在于資金，到目前為止，中心的人員一直在無償服務。他們不能永遠那樣奉獻下去。他們還有本職工作要做。”

麥克道爾說：“我們在尋找解決方案方面干得相當好，但我們需要資源。而且這方面的工作占用了我們做科學研究的時間。”里賈納大學的勞勒同意上述說法，他認為“專業天文學研究會將丟失數據，未來會需要更多金錢和時間才能獲得發現”。

社區參與分部的計劃是讓環保人士、當地社區、天體旅游愛好者、天文攝影師和天文館專業人士聚到一起來。舊金山大學的天文學家阿帕納·文卡特桑（Aparna Venkatesan）說：“每個人都與天空息息相關，目前太空對于大家來說是個自由放任的地方。建立起的體系讓少數人獲益，太空容易受到流氓行動的傷害。我們希望國際天文學聯合會開展國際對話，從而更加公平、周詳地利用太空?！?/p>

對于天文學家以及業余的觀天者、關心文化遺產的人士來說，最好的結果是將衛星數量控制在最低限度。然而，按照泰森的說法，數十億美元的資金在“促使這些公司盡快地發射衛星，所以這是不可能的”。

“我對SpaceX公司盡全力采取行動，并試圖減輕影響的做法表示贊賞?！碧┥f道?！叭欢?，最終，他們可能沒能達到把衛星亮度控制在七等星的目標?！?/p>

“大家十分害怕惹惱人造衛星產業界?！币晃灰蟛煌嘎渡矸莸奶煳膶W家說道，“產業界做出的讓步很小。越來越多的衛星對天文學來說卻是一種關系到生死存亡的威脅?！?/p>

交通堵塞

即使對于天文學的關切沒有導向國際性規章，衛星軌道上的擁擠情況也可能促成規章誕生。“我們從未在我們即將制造的環境下操作過——擁擠程度會比我們以前經歷過的高得多。”不列顛哥倫比亞大學的博利如此說道。

2018年天文節時，位于新墨西哥州查科文化國家歷史公園內的法哈達小方山，該地點是獲得認定的國際黑暗天空公園。夜空的景象和視野會因人造衛星的數量激增而受到影響

衛星的碰撞產生太空垃圾，這又可能導致更多碰撞。這種失控的連鎖反應可能導致未來的發射變得危險或不可能實施——危及衛星和國際空間站。JASON、美國宇航局（NASA）和其他機構做的預測顯示，在1 200公里軌道中有8 000顆衛星存在重大危險。在更低的高度，失控連鎖反應也可能發生，但大氣阻力會使得太空垃圾減速。

衛星在重返地球時燒毀，噴射出鋁和其他材料進入太空。發射也會產生污染。每顆星鏈衛星將運行五年。“假如你做下數學計算，平均下來，一天有23顆衛星脫軌。那等于說，給高層大氣增加大約6噸鋁?！?勞勒說，“這將比自然形成的隕石更多，隕星有著更高質量，但主要由氧、硅、鎂和鐵構成。”

文卡特桑說：“太空正在變得擁擠不堪，不同的利益相關方——天文學家、軍方、講故事的人、知識持有者、文化工作者——都想要在接下來的幾世紀、而不只是接下來的數年里進入太空。我認為我們能以此為基礎團結起來?！?/p>

資料來源 Physics Today