锁死地面天文观测,马斯克的星链为何被天文学者深恶痛绝?

硅谷101

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· 1月25日

小行星撞击地球变得不可预测,星链给天文学打造了一个黑域。

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锁死地面天文观测,马斯克的星链为何被天文学者深恶痛绝?

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文丨硅谷101(ID:svstyle),采访丨泓君,作者丨胡少阳 

「如果有一天地球被小行星撞了,天文学家没有提供足够的预警时间,千万不要怪他们,你该去找那些发卫星的公司。」美国亚利桑那大学天文学与天体物理学博士吕建伟在做客播客《硅谷101》的采访中提到。

这里的「发卫星的公司」,指的是埃隆·马斯克创建的 SpaceX 推出的星链计划。通过向近地轨道发射众多小卫星,来搭建太空高速互联网。已经持续有天文学家反馈,马斯克的星链计划正在对地面天文观测,产生毁灭性的影响,一些科研项目完全无法进行。

图|星链卫星  来自:wikimedia

巧合的是,2021 年 12 月底, Netflix 上映了一部名为《Don't Look Up》的科幻讽刺电影,讲述一颗珠穆朗玛峰大小的彗星,即将撞向地球,人类却还沉浸在政治斗争,和娱乐至死的生活中。

小行星撞击地球并不是科幻电影的想象,就在两个月前,美国宇航局还开展了世界上首次行星防御测试任务,如果未来预测到地外天体即将撞击地球,尝试能否改变小行星轨道。

图 | DART 任务示意图  来自:NASA/Johns Hopkins Applied Physics Lab

星链虽然能给偏远地区提供高速的太空互联网,但对人类探索宇宙也有着诸多负面影响。截止 2022 年 1 月 15 日,在星链发射的 1993 颗卫星中,有 1469 颗正常运行,有 200 多颗卫星已经失联,失联比例高达 10%。这些失联的卫星成为了太空垃圾,当人类向太空发射航天器或者太空望远镜时,首先需要冲破这层太空垃圾的干扰。

除了影响航空安全,星链对天文学的影响更甚。星链正在对天文观测产生哪些具体的影响,是否有解决的办法?以下是播客《硅谷101》主持人泓君,与美国亚利桑那大学天文学与天体物理学博士吕建伟,和哈佛-史密森天体物理中心博士后龙凤的访谈精选。

01 星链对地面观测的四大影响

《硅谷101》:去年圣诞节,人类历史上最贵的太空望远镜,詹姆斯韦伯太空望远镜发射升空,此时近地轨道已经有 1469 多颗星链卫星,并且 SpaceX 还将不断发射。你觉得星链对刚升空的詹姆斯韦伯望远镜影响大吗?

吕建伟 :地球周围的人造天体或者人造残骸,会对韦伯望远镜的发射产生负面影响,但目前来说,这些影响比较有限,韦伯太空望远镜发射后的几分钟内,它就会飞向拉格朗日 L2 点。根据 NASA 的计划,韦伯太空望远镜预计将在 1 月 23 日抵达拉格朗日 L2 点。这个地点距地球近 150 万公里,所以不用担心地球的人造天体对它的影响。

图 | 韦伯望远镜的飞行进度 来自:NASA

但星链包括它们的残骸,对一些运行在近地轨道的望远镜和常见卫星,有很大的影响。

为避免与 SpaceX 的星链相撞,中国的太空站在去年就有两次,不得不调整运行轨道,所以星链对宇航员的生存安全是一个挑战。2019 年,欧洲的 Aeolus 卫星差点与一颗星链卫星相撞。

星链中小卫星的数目非常多,而且他们的轨道不好预测。你问 SpaceX 的人,他们都未必知道星链中某颗卫星,在几时几刻出现在什么位置。

中国、美国、和欧洲有很多的企业,计划通过自己的「星链计划」,来打造全球互联网。所以从长远角度来看,如果这方面的产业没有任何限制,在不久的将来,天上可能同时会出现几十到数百万颗小卫星。随着时间的推移,他们会产生各种各样的碎片,给近地宇航安全带来很大问题。

我们做天文的人,并不讨厌马斯克本人,但对这种星链计划非常讨厌,他们对天文的影响真是深恶痛绝。

首先星链卫星的反射光可能会烧坏天文望远镜。尽管人眼看起来星链卫星比较暗,但对于灵敏的天文望远镜来说,他们非常非常亮。很多天文望镜的探测器很灵敏,以至于一些肉眼看不到的恒星,都需要规避,否则天文望远镜的探测器,会被那些恒星发的光照烧坏。

SpaceX 的星链对天文学家来说到底有多亮?打个比方,你在一个安静的图书馆里读书,或者屏息凝神地,寻找一个小动物。SpaceX 的星链就像突然冲过来一个敲锣打鼓,带着大喇叭的人,对你吼个不停。他刚走,又来了一个敲锣打鼓的人,并不断循环下去,无奈的是,你不知道这些人什么时候来,什么时候走。星链的轨道可以去猜,但是不能完全规避。

图 | 20 分钟内出现的 39 颗星链卫星,由 202 张照片合成 来自:SatTrackCam Leiden

第二,星链中的一颗近地小卫星通过后,可能会导致之前观测数个小时的数据完全不能用。天文学家如果想观测一个遥远的天体,通常的做法是把望远镜,指向天体所在位置,进行长时间曝光,盯着那个天区不停地看和拍照。短一点半个小时,长一点几个小时,甚至好几天就一直盯在那个方向。小卫星产生的强信号,会把观测星体的星光信号污染,于是你不确定看到的数据,是来自观测星体,还是小卫星。

过去某个天区突然出现了光变信号,大家通常认为,那里可能出现了超新星,或者有个什么新的天体突然诞生了。但 SpaceX 的星链出现后,这个光变信号,很可能来自一个小卫星残骸的太阳反射光。

第三,有一些千年甚至万年一遇的天文现象可能被错过。做系外行星研究的科学家们,比较关心恒星周围的行星。经典的探测办法是盯着一个恒星反复观测,记录恒星发的光,随时间变化的曲线,这需要长时间稳定地对该天区进行监测。如果突然出现星链卫星,会导致光变曲线突然产生异常信号,你无法确定这是否是正常数据。

我自己编了个笑话,10 ~20 年之后,整晚都有几百万颗星链卫星和其他小卫星在天上飞来飞去。天文学家们花一晚上进行天文观测,第二天两个天文学家交流结果。一个说我今天晚上数到了几百颗星链卫星。另外一个天文学家兴奋地说,我也数到了这么多。但发现其中一颗好像发生了碰撞,这成了他们最大的发现,但并没有发现任何新宇宙现象。

龙凤:这些近地人造卫星,虽然对韦伯太空望远镜不会有太大影响,但对几乎所有的地面望远镜影响很大。

再补充一点,影响的不仅是光学望远镜,还影响到了常在夜间观测使用的射电望远镜。据说星链的通讯频率是跟我们射电观测的某个频率完全重合,就意味着我们几乎接收不到,天空中那个频率发出的信号,信号完全被覆盖。

虽然我们可以用太空望远镜作为替代方案,但它东西太昂贵了,而且成功率太低。所以对天文观测来说,地面的这些望远镜还是主要依赖的设备,所以星链对我们的影响其实还是蛮大的。

02 立法、涂黑卫星,并不解决燃眉之急

《硅谷101》:SpaceX 的星链在设计时,有没有考虑天文观测的问题,还是说他们没有办法解决这个问题?

吕建伟 :其实我稍微知道一点信息,我们这边的天文学家,也有人专门负责研究星链,这类卫星对天文学的影响。现在美国的天文学会,还包括有一些国际性的政府间合作组织,也逐渐开始在这方面进行一些前期探索,未来可能还会颁布一些法规。

我觉得 SpaceX 在计划这个项目时,没有考虑那么多,他们主要目的还是为了实现商业价值。极个别做天文的人,可能意识到这是一个问题,但他没有预判到星链系统发展速度这么快。

美国天文学每十年会做一个规划。今年刚出来一个叫 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics 2020 的规划,十年前星链卫星完全不存在,所以没有人关心这件事情。直到最近的一两年,大家才终于意识到,这是一个非常严重的问题。所以今年的这个规划,有很大篇幅讨论这方面的解决方案,遗憾的是篇幅比较有限。

现在天文学家与 SpaceX 进行过了沟通,SpaceX 采取了临时措施,对新一批的星链进行表面涂色,比如说把他们漆成黑色,降低卫星被照射后的亮度,但上色之后还是很亮。

图 | 四颗星链卫星:Starlink-1114(2020-001P)、Starlink-1030(2020-001N)、Starlink-1084(2020-001B)和Starlink-1098(2020-001D)。其中 Starlink 1030 经过表面涂色,相比之下亮度有所降低 来自:SatTrackCam Leiden

另外一个跟红外有关系,因为能量不会消失,把光学波段的能量降低,它的红外波段能量就会变强。所以你让光学天文学家稍微满意了一点,但红外天文学家又开始生气了。最终的解决办法,我其实也不是很清楚,从红外学家的角度看,需要把整个卫星都做得非常冷,才能解决问题。但事实上,这种方式会导致成本过高,以致完全不可实现。

《硅谷101》:SpaceX 在非常频繁地发星链卫星。他们知道了对天文观测的影响后,会降低卫星发射频率吗?

吕建伟:不光是 SpaceX 的星链,很多国家的政府,或者一些比较有远见的企业家,都觉得这个可能是未来重要的发展方向,所以有政府和企业会推动类似的项目。大概率在两三年之内就可以看到多个星座系统上天,那会对天文学带来什么影响,我个人非常悲观。

龙凤:可以说是颠覆性的影响。现在接收光学波段的我国巡天望远镜,已经受了很大的影响,甚至有的科学目标完全没有法做。我个人觉得其实是挺讽刺的,通过卫星接入网络,是一个挺酷的实践,它通过技术手段让人类的生活变得更好。但反过来,这给天文学的发展打造了一个黑域,反而锁死了人类从地面探索宇宙的脚步。

图 | 星链信号接收器 来自:SpaceX

03 小行星撞击地球正变得不可预测

《硅谷101》:在《文明之光还是文明之锁?马斯克的星链公测了》这期节目中,探讨了星链产生大量的太空垃圾对天文观测的影响,这确实是一件挺矛盾的事情。

吕建伟:在几年之后,地面天文学家看 SpaceX 的星链在天上飞来飞去,他们的心情估计跟农民伯伯看到遮天蔽日的蝗虫,满天飘来飘去一样,烦得不得了,也没什么办法。

龙凤:我觉得这些星链卫星是会一定程度,影响我们人类,因为天文学家需要观测一些快速移动的小天体,判断他们撞击地球的概率。但如果在天空中一直有快速移动的卫星,我们几乎不可能实现对这种天体的测量。因此也不知道哪天哪颗陨石就撞上了我们了。

《硅谷101》:最近有部科幻题材的讽刺电影《Don't Look Up》,讲天文学家观测到彗星即将撞击地球,人类还沉浸在各种政治斗争中,这会成为现实吗?

吕建伟 :我个人觉得这部电影还是乐观了一点,现在星链这样的卫星计划特别多,天文学家在第一步,就不发现不了对地球有威胁的天体。

龙凤:你要在那么多快速移动的卫星里,找到那一颗移动的天体,这就很困难。

吕建伟 :搜索这种近地天体,需要在日落和日出时进行,对全天进行很详细的观测。那时也是像星链这种低轨卫星最亮的时候。所以原先没有这种星链卫星时,搜索近地天体都已经是比较艰辛的工作了,就像大海捞针一样。

现在星链上天之后,就相当于在大海捞针的状况下,又扔了很多很多的假目标。所以如果说有一天地球被小行星撞了,天文学家没有提供足够的预警时间,千万不要怪他们,你该去找那些发卫星的公司。

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