42000 颗 “星链”闪耀,虚假星光带来天文学大灾难

新浪科技 2020/5/4 7:57:27 责编:骑士

撰文:

苟利军 中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学天文学教授

刘孜铭 中国科学院国家天文台硕士研究生

2020年的4月27日晚上,一个新的天象让一些爱好者兴奋不已。在北京地区,一组“星链”卫星在当晚8点37分左右从西北方升起,经过月亮,几分钟之后然后变暗消失,这就是新近出现的天象——星链凌月。

这些星链卫星是SpaceX公司“星链计划(Starlink)”所发射的通讯卫星之中的一部分,它们通常会由22个卫星连成一串,在某个特定轨道平面上运行。当它们划过天空之时,因反射太阳光而发亮,在天空形成一串光点,形为夜空中的一道壮观景象,有人比喻它们为天空中的“三体舰队”。

按照美国联邦通讯委员会(FCC)在2019年4月的批示,SpaceX将用10年左右的时间发射12000颗卫星进入近地轨道,10月,SpaceX又宣布将追加三万颗“星链”卫星,尽管马斯克在最初保证这些卫星几乎不会被注意到,但它们在全球各地望远镜与相机镜头中频繁展露的身影,却还是不得不让天文学家们开始产生担忧和困扰。

SpaceX的“星链计划”究竟是什么?又会对科学研究和人类生活产生哪些影响?是否有方法来避免或者解决其可能带来的问题?

全球网络覆盖——“星链计划”

“星链计划”是太空服务公司SpaceX在2015年提出的,通过近地轨道卫星群,提供覆盖全球的高速互联网接入服务。作为“钢铁侠”原型的埃隆·马斯克打算依靠星链,将高速宽带互联网覆盖到难以建造地面基站的或者人迹罕至的地区,使得地球上几乎所有地区的人们都可以使用廉价且稳定的高速宽带。

由于卫星网络既没有地面通讯基站建设所带来的问题,同时信号在卫星之间传播的通讯延迟相较于利用光纤在基站间传播也更低,可以说“星链计划”是完全有实力同“第五代移动通信技术(5G)”一战的。

图1:60颗星链卫星堆叠装载入火箭整流罩 ,来源:SpaceX

按照最早的计划,SpaceX会将发射大约12000颗星链卫星发射到近地轨道,由三层构成的卫星网络,这三层分别位于距离地面340千米(7500颗)、550千米(1584颗)和1150千米(2825颗)的轨道上。而根据SpaceX在去年10月份提交给FCC的备案,他们准备在此基础之上,额外再发射3万颗卫星,最终总数目达到42000颗。

借助于一级助推器可多次重复使用的高性价比火箭“猎鹰9号”,“星链计划”目前可以成批并且频繁地发射卫星。按照2019年的计划,SpaceX在2020年将至少发射9次,可能的话达到24次,也就是差不多每半个月发射一次。然而从目前前4个月的发射状况来看,它完成了6次成功发射,接下来的五月和六月分别设定了一次发射。

“猎鹰9号”每次发射60颗卫星,所以当然想要频繁发射,也需要SpaceX有能力在短时间之内生产足够多的卫星,根据SpaceX在今年3月份的报道,他们的生产基地每天可以生产6个星链卫星。足够满足猎鹰频繁的未来发射。在未来,当然SpaceX期望利用还处在开发之中的星舰火箭来发射卫星,到时发射的能力将极大增强,可以一次达到发射卫星400颗。

每一次发射的卫星基本上都能够按照要求,成功入轨,当然也有一些例外。比如在2009年4月第一次发射的60颗星链卫星中,有3颗卫星就失去联系了。截止到2020年4月22日,SpaceX已经成功发射8次,包含星链卫星422颗,有417颗星链卫星处于运行状态。他们正在北美地区利用这些卫星开展一些私人网络测试服务,对于更大规模的公众测试将在2020年11月展开。

图2:2019年10月,马斯克发布推特对星链网络进行了测试,获得成功。来源:twitter

近地轨道交通拥堵,谁来为空间车祸负责

不用四处寻找路由器,不必担心海上深山没有信号,看起来“星链计划”的确非常便利,为什么还会有人抵制它呢?

首先近地轨道并不是一片“净土”,根据联合国的卫星登记网站(www.unoosa.org),截止今日人类共发射了9449枚人造天体进入宇宙(含已发射的星链卫星),目前仍在轨的人造卫星就有2000颗左右,即使按照目前的12000颗的“星链计划”,也会将这一数字增加至五六倍。届时大量的人造卫星、太空垃圾将漂浮在这片区域当中,导致近地空间的严重拥堵。

图3:被卫星包裹的地球

虽然SpaceX表示,每颗星链卫星都将“能够追踪在轨碎片并自动规避碰撞”,并且卫星在到达寿命后将自动脱离轨道,尽管按照声明100%的部件应该在大气层中消弭(在2019年5月份发射的v0.9版的卫星中,95%的部件会在大气中消失,而在2019年11月之后发射的最新v1.0版中,所有部件都会消失),但如果它们在轨道上受到损坏或者未能成功分散开,这些卫星仍旧会构成严重问题。

在2019年5月发射的第一批星链中,就有3颗失去了联系,无法进行主动控制,从而形成了太空垃圾,尽管SpaceX则表示这三颗卫星将被重力拉向地球在大气层中燃烧殆尽。

然而SpaceX也并非唯一一家有此计划的企业,美国的亚马逊(Amazon)和英国的OneWeb也都从星链计划中看到了太空网络的商机,也已经制定了自己计划,准备发射相应的卫星网络。而且亚马逊公司的蓝色起源火箭公司也是一家火箭技术成熟的公司,所以近地空间很可能很快会变得极为拥挤。

一万两千虚假星光——全方位“锁死”地面天文观测

除了空间事故,更为严重的是,“星链卫星”给全球天文观测带来了更大的难题。

对于卫星通讯的想法,早在上世纪90年代就已经有人提出并且投入了实践。1997至1998年美国铱星公司发射了66颗手机全球通讯卫星(原本计划发射77颗,因此以77号元素铱命名),但由于当时缺乏市场需求,“铱星计划”在1999年进行了破产重组。

但铱星的升空却带来了“铱闪”这一颇具警示意味的人造天体现象,由于摩托罗拉公司在设计铱星的时候为其装备了三块铝制天线,随着卫星自转这些如同镜子一般的天线会将太阳光反射到地面上,在地面上形成几公里宽的光带,处于光带区域的人们都可以看到铱星快速由暗变亮,一闪而过。

图4:铱闪发生时铱星的光度可以由肉眼难以注意到的5-6等极速升至8等以上,几秒后又再度变暗直至消失,来源:http://www.astrocn.com/beta/tags/%E9%93%B1%E9%97%AA

而数量远远高于铱星的星链卫星日前也已经被一些星空爱好者拍摄到了依次“闪光”的现象,亮度甚至可以超过织女星,如果这种闪光布满全天,其所造成的光污染将不堪设想。

图5:天文爱好者拍摄到排成一列的星链卫星依次闪光,来源https://www.youtube.com/watch?v=cycLZQtM8HU

不仅如此,即使星链卫星没有发生闪光,它们对于深空观测所带来的影响也是不可估量的。来自哈佛-史密森天体物理中心的天文学家乔纳森·麦克道维尔指出:“最新的报告表明,星链卫星大部分时间都停留在5等左右。”

虽然肉眼几乎不可见,不管是对于星空拍摄者而言,还是对于专业的天文观测(主要观测目标为10-20星等的暗星)研究人员而言,这些卫星依然实在是太亮了。因为星链卫星的数量实在是太多了,所以导致爱好者和专业的天文观测都因为这些星链卫星入镜而产生了大量废片。

“看,莱昂纳多,我为你星链了蒙娜丽莎!” 来源:twitter/SuperASASSN

由于环绕速度远高于天文观测目标,进入到望远镜视场当中的星链卫星会在望远镜所拍摄的图像中留下一道狭长的轨迹。而且因为星链(starlink)卫星在照片中出现的频率如此之高,以致于在英语中它作为动词成为一个单独的词条。新的定义为:“To `starlink‘ a picture - to add satellite-like trails to a photograph,for added pizzazz”(“星链一张照片——在照片上加上卫星般的踪迹。”)。如果你看到蒙拉丽莎的名画无端被加上几条星链轨迹的时候,作为名画爱好者的你会是什么样的感受?肯定会觉得星链破坏了整幅画的美感。同样地,星链卫星对于星空摄影的破坏也是如此。

星空摄影师拍到的星链卫星。版权:REIDAR HAHN/FERMILAB

图6:美国亚利桑那州洛厄尔(Lowell)天文台在拍摄NGC5353/4的时候星链卫星自对角线贯穿望远镜整个视场,来源:Victoria Girgis/Lowell Observatory

图7:智利Cerro Tololo Inter-American Observatory(CTIO)拍摄到的第二批星链卫星。来源:NSF’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory/CTIO/AURA/DELVE

图8:2019年11月22日,意大利法拉天文台观测麒麟座α流星雨,入镜大量星链卫星 ,来源: 法拉天文台

很显然,无论对于业余星空爱好者还是专业的天文学家而言,被轨迹所遮挡和接触到的天体数据就全部都作废了。在专业的数据处理中,一般会采用专门的算法来识别这些卫星轨迹,然后将这部分信息涂抹掉。

图9:利用算法识别并消去卫星轨迹带来的影响,来源:Desai et al.2016

然而在漫天星链卫星之下,望远镜中留下的或许就是这样的画面。

图10:法拉天文台全球流星网络(GMN)摄像机拍摄麒麟座流星雨堆栈后的结果,大量的星链轨迹布满整张图片,来源: Farra Observatory (GMN)

很明显比起一条一条去掉卫星的移动轨迹,直接扔掉这些数据似乎是更为正确的选择,而“星链计划”正在迫使天文学家们丢掉更多本应有用的数据。

根据大型综合巡天望远镜(LSST)对未来42000颗星链卫星对观测的影响进行了模拟。结果显示有高达30%的图像中将至少包含一条卫星轨迹,对这些卫星的亮度测量也表明,这些轨迹会在LSST的图像中过饱和,比典型的星系亮2000万倍,极端情况下并且因为其亮度这些观测图像都将作废,为此LSST必须要在10年的观测计划之外增加4年以弥补这些损失。

LSST提出了两个缓解这一问题的方案,其一是提高曝光次数,通过将原本为30秒的标准曝光时间分解为两个15秒,如果只有其中一次包含了卫星轨迹,那么便可以由另一次曝光补足轨迹造成的影响;第二种方案是降低卫星的亮度,如果卫星的亮度降低十倍,它们呈现在LSST的图像中过饱和的情况就会大大减少。但是毫无疑问,无论哪种解决方案也都要以延长观测计划为前提。

窗口起“雾”,射电波段也是重灾区

不仅是可见光波段,即使是在射电波段,星链卫星依旧会造成严重的观测干扰。

以中国贵州的500米口径球面射电望远镜(FAST)为例,以其为中心半径5公里内的核心区域都要保持无线电静默,任何手机、数码相机、智能穿戴设备在该区域内都被严禁使用,而即使是这样FAST依旧无法避免来自天空的干扰,只能在安排观测时避开卫星过境的时段。

图11:地处贵州深山腹地的FAST也只能依靠地理条件屏蔽来自地面的干扰

“射电天文设施极易受到卫星向下传输信号的影响,毕竟射电望远镜无法借助地理屏障遮蔽来自上空的干扰。”美国无线电频率委员会(CORF)主席Liese van Zee这样说道。而星链卫星工作产生的无线电波可能会直接影响射电望远镜对高频信号的观测。

由于射电望远镜所探测的科学目标是宇宙中大多十分微弱的电磁信号,而显然星链卫星所发出的信号强度要远强于它们,它们会对同频率的宇宙线产生强烈的无线电干扰,不仅会将把需要的信息淹没在大量卫星数据当中,还有可能损坏高度灵敏射电观测设备。为了避免星链卫星所带来的不良影响,地面上的射电望远镜必须避开卫星过境的时间段来进行观测,如果星链卫星全部进入近地轨道,或许我们将不得不放弃一些波段的观测,无疑这对于射电天文学来说是一种损失。

总的来说,这些布满天空的卫星会加重地面天文观测的负担,无论是前期观测规划还是后期的数据处理都可能因为星链卫星的介入导致工作量倍增。2019年诺贝尔物理学奖得主、剑桥大学教授Didier Queloz在最近的一次采访中提到,“我喜欢全球覆盖无线网这个想法,但这并不是毫无代价的。有些人正在用天空来做生意,作为结果就是我们即将失去天空!”

SpaceX的补救,能否两全其美?

如果回到2019年5月正式的星链卫星发射之前,马斯克一直在宣称星链卫星将对天文观测不会产生任何的影响,然而毕竟马斯克不是科学家,他低估了卫星对于天文观测所产生的影响。卫星发射之后,很快就有科学家估计了即将发射的大量卫星对天文观测的影响,而且的确发觉对于天文观测影响不小。马斯克对此结果也是采取了积极地正面回应。所以在美国天文学会(AAS)和国际天文学联合会(IAU)协助天文学家和SpaceX的对话过程中,的确SpaceX团队也准备采取多种方式降低卫星对于天文观测的影响。

在2020年1月6日的发射计划中,SpaceX将一颗“暗星(Starlink-1130)”发射升空,通过将卫星表面涂黑来实验对亮度的降低效果。根据3月6日的观测结果发现,相比较没有涂黑的星链卫星,涂黑卫星的亮度有了大约2倍的降低,星等从6.7等降低了到了7.6等。尽管这种涂黑方式让肉眼很难看到,却仍旧不足以满足专业天文台,尤其是那些进行大视场观测天文台的需要。

不过通常而言,没有人愿意将卫星特别涂黑。首先因为对于涂黑的卫星材料首先需要有很高的要求,比如不能和大气中的氧原子发生氧化作用,否则会导致涂层掉落,产生太空垃圾,危害也是极大。在1983年,挑战者号航天飞机在返回的途中,就被掉落的一块油漆击中窗户,产生了一个非常明显的痕迹。幸运的是玻璃窗户是四层的。另外涂黑以后,会导致在面对太阳时,温度上升,而进入地球阴影没有太阳照射时,温度下降,所以会导致卫星温度变化过大,极大地降低卫星寿命。

除此之外这种镀层也存在着一些潜在的问题,很可能会导致一些虚假观测。当这些涂黑的卫星经过恒星的时候,会导致恒星亮度降低,天文学当中称之为掩星效应。在寻找系外行星的过程当中就使用这种方法,如果大量卫星发射升空,会导致很多这样的虚假信号,增加数据处理的难度。

除此将卫星之外,在2020年3月举行的卫星大会上,SpaceX的工程师还提出可以给每个卫星配备一个遮阳伞的想法,遮阳伞可以防止反射太阳光。不过这仅仅是一个想法,太阳伞装置如何设计并且如何发射也是一个很大的问题。

在2020年4月27日,美国科学院组织的“天文和天体物理学10年规划”的天文学2020特别会议中,邀请了天文界和马斯克进行对话。此次对话中,SpaceX进一步提出了闪光亮度与卫星姿态有关系,将会调整卫星姿态,以及发射一些涂黑的高性能卫星尽快替代老的卫星。

不过SpaceX的这些措施,对于星空环境的改善十分有限。马斯克在给天文学家的建议之一是进行太空观测,并且在此次会议中向天文学家推荐他的星舰(starship)。尽管发射空间望远镜进行观测亦是解决方案之一,而且火箭技术已经很成熟,但空间设备居高不下的预算却使得大部分天文学家望而却步。举例而言,仅詹姆斯·韦伯空间站望远镜一项计划的预算就高达将近100亿美元,其主镜面口径却仅6.5米。而要想把地基望远镜尺寸的庞然大物(例如在建的39米口径的欧洲极大望远镜E-ELT)送入太空,所耗费的预算恐怕也是个天文数字。

图12:NASA斥巨资建造的詹姆斯·韦伯望远镜,来源:NASA

总的来说,如果SpaceX无法给出更好的解决方案,恐怕“星链计划”给天文学研究所带来的困难堪称灾难。要知道,地面上肉眼可见的恒星也就5000颗左右,而对于星链卫星,即使不加上后续计划的30000颗,按照目前的发射速度,它的数目很快将会超过肉眼可见恒星的数目。

尽管FCC已经批准SapceX可以发射12000颗卫星,但是也有人提出当然也有人对于SpaceX能否发射一直持续发射提出了质疑,因为SpaceX发射如此多的卫星到近地环境,其实是已经对天空环境的破坏,所以有人对于FCC批准发射如此多的卫星的合法性提出了质疑。

不过目前来看,更多的卫星发射是不可避免,所以天文学家们也在从观测和后期的软件处理角度积极提出一些应对策略,就如上面提到的LSST减少每次观测的时间方式。

在射电波段,CORF目前也正在同SpaceX进行协商,用以制定平衡科学和电信公司利益的协议。虽然地球大气的射电窗口十分宽广,却实在是经不起过多分割,留给射电天文学的带宽已然越来越窄。

发射依旧在继续,有关此话题的讨论还会持续很长一段时间。“天空应该是免费的吗,或者它将是下一个市场?” Didier Queloz在采访中说道,“我将很乐意看到关于此的辩论,因为我们将每天看到他们(星链卫星),我希望全世界都能参与到讨论中来,星链卫星和所带来的问题真的是我们想要的吗?”

致谢:感谢微博小龙哈勃和光头怪博士对于美国10年规划中星链计划讨论的总结。

参考文献:

[1]:  Tregloan-Reed J,Otarola A,Ortiz E,et al。First observations and magnitude measurement of Starlink’s Darksat[J]。

[2]:  Vera C。Rubin Observatory – Impact of Satellite Constellations,https://www.lsst.org/content/lsst-statement-regarding-increased-deployment-satellite-constellations

[3]:  https://www.youtube.com/watch?v=dA4FUFgXtKQ

[4]:  Nadia Drake。Will Elon Musk’s Starlink satellites harm astronomy? Here’s what we know.https://www.nationalgeographic.com/science/2019/05/elon-musk-starlink-internet-satellites-trouble-for-astronomy-light-pollution/#close

[5]:  Desai S,Mohr J J,Bertin E,et al。Detection and removal of artifacts in astronomical images[J]。Astronomy and computing,2016,16: 67-78。

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关键词:星链卫星

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