SpaceX星链卫星是好是坏?天文学家骂骂咧咧地进入群聊

出品:科普中国

制作:李会超

监制:中国科学院计算机网络信息中心

2019年11月11日,SpaceX的第二批总计60颗“星链”(Starlink)卫星由猎鹰9号火箭发射升空。

这批卫星是马斯克庞大的太空互联网卫星计划中的一小部分。按照马斯克的设想,星链将在2020年代中期达到12000颗的规模。到那时,世界上很多没有高速光纤互联网接入地区的用户,只需通过一个额外的小型卫星接收设备,就能获得高速可靠的互联网服务。除了SpaceX外,美国的亚马逊公司和OneWeb公司也在推进类似的项目,不过规模就比星链要小很多,建成后卫星数量都在几千颗左右。

批量发射入轨过程中的星链卫星 (图片来源:SpaceX)

这样一些看起来造福人类的项目,却引起了一些天文学家的焦虑。为了获取一片纯净的夜空,他们不得不将望远镜修建到人迹罕至的智利阿马索内斯山、夏威夷莫纳基亚等地,有时甚至还要为了修望远镜和原住民打起圣山的官司。而马斯克的星链,有可能毁掉这最后一片没有光污染的干净的天空。

欧洲南方天文台设置在智利的甚大望远镜使用激光测量大气参数的实时图像

(图片来源:欧洲南方天文台)

星链的反光,或给光学巡天观测带来巨大困扰

星链和其他公司准备部署的互联网卫星系统,均计划采用近地轨道上的通信卫星。相比同步轨道上的通信卫星,近地轨道上的通信卫星能够提供更短的通信延迟,能够尽量减少“高PING战士”的出现。

由于近地轨道上的卫星相对于地面是运动的,必须部署大量卫星,才能保证特定地点上空有数量足够多的卫星能为用户提供服务。因此,卫星星座所包含的卫星数量往往十分庞大,动辄成千上万个。同时,几年来微小卫星技术的快速发展,使放卫星的门槛大大降低,也使这种卫星星座的构建成为了可能。

星链卫星 (图片来源:SpaceX)

对于天上一闪一闪亮晶晶的卫星划过夜空,天文学家们并不陌生。之前曾经一度失败又被美国军方接管的铱星系统,其发出的铱星闪光偶尔也会进入望远镜的视野中。然而,由于铱星的数量仅仅为几十颗,这种情况出现的概率并不大,天文学家们也没有十分在意。

天文望远镜的一个指标参数是“视场”。当我们拿手机拍照时,如果你使用变焦功能将景物放大、推近,那么此时成像的视场就较小,反之,如果你将景物缩小、拉远,此时的成像的视场就比较大。在视场较小时,可以更突出的显示某一个特定的物体,视场较大时则可以拍到景物的全貌。对于天文望远镜来说,同样具有也有视场较小和视场较大的望远镜,前者一般用来对选定的天体进行比较细致的观测,而后者则一般用于大范围巡天式观测,相当于不停的在给整个天空拍照,进行天体的“人口普查”,使天文学家们获得各个天体变化的批量数据。

巡天观测的用处是多方面的,例如,天文学家们可以利用巡天观测海选天体,找到可能有潜在新发现的天体,再用视场较小的望远镜获得较为精细的信息。同时,大量获取的天体信息还能使科学家们得到一些共性的结论,或是在大量天体中挑选出一些反常的天体加以研究。此外,巡天观测重复观测同一个区域间隔的时间不会很长,可以支持时域天文学中对一些快速变化现象的研究。

当通信卫星星座将在轨的卫星数量提升了几个数量级后,首先遭殃的也许就是这类进行巡天观测的光学望远镜。据美国《国家地理》网站援引的斯坦福大学天文学家 Bruce Macintosh的计算结果,美国在智利建立的大型综合巡天望远镜(LSST),在未来黄昏后一两个小时内拍摄的图像中,每副图像中可能都会侵入1-4颗星链卫星。黄昏之后,太阳刚刚落到地平线以下不远,如果位置合适,卫星就能将照射到它上面的阳光全部反射到地面上,在天空中呈现非常亮的光点。这种现象在中纬度地区的夏季尤其明显。

正在建设中的LSST (图片来源:lsst.org)

而令天文学家们感到困惑和更加忧心的是,星链卫星反射阳光的能力似乎比其他的卫星更强。在两批星链卫星发射后,在全世界范围内有不少业余爱好者,以追逐星链的闪光为乐。

国际天文联合会公布的天文观测受到影响的实例。图中的亮点为美国洛厄尔天文台试图观测的天体,图中的亮线为星链卫星侵入望远镜视野后留下的痕迹。

(图片来源:国际天文联合会)

LSST的主要任务,包括暗物质、暗能量现象的观测研究,以及搜索对地球产生潜在的相撞威胁的小天体,可以说是一个既为人类揭示物质世界新的基础规律,又为全人类未来可能的灭顶之灾提供防护的天文设备。假如它的观测被星链或者其他通信卫星星座严重干扰,遭受损失的不只是这台望远镜的金主美国能源部和进行相关研究的科学家。除了LSST外,目前全世界范围内还有诸多巡天观测项目,例如美国的斯隆数字巡天和我国的LAMOST巡天望远镜。如果星链的光污染问题趋于严重,他们和LSST一样,也都会是潜在的受害者。

马斯克回应,却仍无法打消天文界疑虑

对于天文界的担忧,马斯克一开始回应说天上的卫星那么多,他多放一些也无妨。而且,人们看到的明显的光点,是星链卫星刚刚入轨时的状态。随着他们逐渐升高高度到工作轨道,亮度会减弱到没有影响的程度。然而,哈佛-史密松天体物理中心的天文学家 Jonathan McDowell发现,今年5月发射的首批星链卫星,虽然高度已经升高到约550公里,但其亮度仍然能够达到约4到7等的视星等,不但可以干扰望远镜的观测,甚至人们用肉眼都有可能看到。

荷兰天文爱好者拍摄的星链卫星划过夜空的图像。(图片来源:Phys.org)

在发现天文学家的质疑声音越来越强,甚至国际天文联合会都对此正式发表声明后,马斯克又发推文说他们将在未来采取措施,减少卫星的反光,从而降低对天文观测的干扰。但这并没有打消天文学家的疑虑。除了推特上发布的承诺,SpaceX并没有给出来关于如何减少卫星反光的细节,天文学家们也拿不到未来星链轨道的信息,无法开展系统性的研究来确切的评估星链对光学天文观测的威胁。

将地面望远镜搬去太空以解决光污染问题?不可行

有些人说,在近地轨道上运行的哈勃太空望远镜取得了举世瞩目的成功,未来将要上天的韦伯太空望远镜又会将可见光波段的太空望远镜的观测能力提升到一个新高度,人类为什么还需要继续在地面上建设望远镜、开展天文观测呢?

实际上,虽然太空望远镜无需考虑大气层以及卫星闪光对观测的影响,但其口径依然无法与地基望远镜相比。而口径越大,即意味着望远镜能够获得越好的角分辨率,能够看清越细致的结构。同时,地基望远镜能够不断更新升级设备,将最新的技术应用到观测中。而太空望远镜一旦上天就意味着所有仪器的参数将会锁定,无法再更新换代。

斯隆数字巡天使用的望远镜。(图片来源 sdss.org)

此外,对于巡天观测来讲,如果要将望远镜发射到太空之中,就必须考虑天地通信带宽对观测数据量的限制,而在地面上则没有这个问题。最后,将任何东西弄到太空之中,资金成本和技术复杂度就会发生巨大的膨胀。目前,韦伯太空望远镜已经花掉了NASA将近100亿美元的巨款,上天依旧遥遥无期。天文学界估计找不到哪个金主,能够将现有的天文观测能力全部搬到太空中去。

干扰射电观测、潜在太空垃圾,星链卫星问题重重

即便星链真的不再闪光,消除对光学天文的威胁,其对射电天文学的威胁依然存在。射电天文通过接收天体发射的无线电信号来进行观测,因此一般的射电望远镜在外观上更像是一个巨大的卫星天线,或者说,一个巨大的锅。近年来,随着无线电应用的日益增加,射电天文学家们一直在通过国际通信协会等组织与卫星通讯等其他无线电用户周旋,希望频谱空间中进行天文观测的频段不被人为产生的信号干扰。而一旦低轨上部署了大量的互联网通信卫星,射电天文学家们对频率的“争夺”将变得更加困难。同时,射电望远镜的口径动辄数十米,FAST这种依地形而建的射电望远镜口径更达到了500米。在太空中建设如此口径的射电望远镜,目前看还没有具体可行的方案。

除了对天文观测的影响外,太空垃圾也是星链可能引起的一个潜在问题。今年5月升空的首批60颗星链卫星中,已经有3颗与地面失联,成为了潜在的太空垃圾。虽然高层大气的阻力能够使他们自然坠落,但从失联到坠落需要较长的时间。根据NASA太空碎片项目办公室的一项研究,数量达到数千颗规模的卫星星座,至少要保证99%的卫星在寿命即将接近时,都能主动受控离轨,快速坠入大气层烧毁,才能保证近地轨道可能的卫星相撞几率不陷入失控的状态。这项研究假设的是卫星工作的轨道高度大概在1000公里左右,而目前星链计划采用的550公里的轨道高度。对于星链,虽然由于轨道大气阻力更强,太空垃圾问题爆发的可能虽然有所降低,但SpaceX似乎没有进行类似的研究,来确定的给出星链系统卫星可靠性与太空垃圾风险的关系。

星链卫星星座的轨道构想图。(图片来源:technology.org/)

结语

如果你想拥有一台新车,那么首先要获得购车资格,还要办理一系列的手续,缴纳相关的费用,并在日常行车中遵守交通法规。所有这些,都是为了公共资源能够被有效有度的分配使用,保持城市可持续的稳定运行。而在太空之中,仍然没有具备强制力的国际法律或公约维护相应的秩序。当SpaceX和其他企业准备雄心勃勃的占领太空时,却没有哪个国际机构或组织能够规范他们的行为,为人类共有的夜空和轨道提供足够的保护。

和汽车轮船飞机不同的是,航天器只要入轨,就要围着整个地球转甚至飞离地球,使用的是全世界、全人类的资源。如何让太空不陷入丛林法则造成的种种问题,也许是一个更重要的问题。

参考资料:

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