人造衛(wèi)星會(huì)怎樣危害到天文學(xué)：我們能為此做什么？

天文學(xué)面臨危機(jī)，天文學(xué)家苦不堪言？人造衛(wèi)星究竟改變了什么？

光學(xué)射電目視天文學(xué)的危機(jī)！衛(wèi)星部署如火如荼，讓我們失去了什么？

（圖解：這張概念想象圖展示了2022年“星鏈計(jì)劃”中由30000顆人造衛(wèi)星形成的星座。圖中不同的顏色代表了不同的子星座。圖源：ESO）

隨著越來越多像太空探索技術(shù)公司（SpaceX）這樣的公司不斷向我們的天空中發(fā)射人造衛(wèi)星，您也許聽到過天文學(xué)家們?nèi)諠u加重的埋怨聲。天文學(xué)家們并不是反對這些人造衛(wèi)星提供的通訊網(wǎng)絡(luò)，但是他們對宇宙地基觀測的未來的擔(dān)憂，也并非空穴來風(fēng)。然而，只有為數(shù)不多的天文學(xué)家可以通過自己的力量來減輕這個(gè)問題帶來的影響。

[圖解：太空技術(shù)探索公司（SpaceX）2020年部署星鏈計(jì)劃的開年第一發(fā)。圖源：TESLARATI。]

一份來自2021年“保護(hù)暗夜靜空”會(huì)議的報(bào)告稱：

通訊人造衛(wèi)星星座對社會(huì)的貢獻(xiàn)是毋庸置疑的，但是它們對原本的天空和天文學(xué)造成的影響亟待關(guān)注，因?yàn)檫@涉及到的不僅是人類的文化遺產(chǎn)，還關(guān)乎到科學(xué)的進(jìn)步。

人造衛(wèi)星會(huì)怎樣危害到天文學(xué)：人造衛(wèi)星數(shù)量不斷增長帶來的問題

隨著越來越多的人造衛(wèi)星不斷填滿近地環(huán)繞軌道，天文學(xué)家們正面臨著各種各樣的問題。光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡受到了來自這巨大的人造衛(wèi)星星座的影響——包括一些較大的在野外進(jìn)行探測的望遠(yuǎn)鏡，以及出現(xiàn)晨昏蒙影時(shí)，人造衛(wèi)星反射太陽光會(huì)對觀測的望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生影響。

（圖解：晨昏蒙影。圖源pxhere。）

歐洲空間組織（ESO）就對2021年的研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了報(bào)告：

人造衛(wèi)星對長時(shí)間曝光的望遠(yuǎn)鏡的影響是十分顯著的，其中有高達(dá)3%的望遠(yuǎn)鏡會(huì)在晨昏蒙影時(shí)受到影響。同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn)，這些新人造衛(wèi)星星座的大部分影響體現(xiàn)在野外探測上，例如美國國家科學(xué)基金會(huì)的薇拉·C·魯賓天文臺，高達(dá)30-50%的晨昏蒙影觀測會(huì)被嚴(yán)重地影響。

（圖解：薇拉·C·魯賓天文臺外觀。圖源：vigilia。）

當(dāng)然，我們在討論科學(xué)。所以作為科學(xué)家，他們已經(jīng)正式開始對這個(gè)問題進(jìn)行研究。2020年和2021年的研究都顯示了光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡受到的影響。研究發(fā)現(xiàn)，像甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）和加州特大望遠(yuǎn)鏡（ELT）這樣的望遠(yuǎn)鏡們會(huì)受到這個(gè)巨大人造衛(wèi)星星座的“輕度影響”。而還有一些望遠(yuǎn)鏡，比如智利的正在建設(shè)中的魯賓天文臺，將會(huì)受到更嚴(yán)重的影響——它們在發(fā)現(xiàn)超新星和潛在威脅小行星方面顯得至關(guān)重要，因?yàn)檫@些望遠(yuǎn)鏡可以在很短時(shí)間內(nèi)迅速掃過很寬的區(qū)域。

對射電天文學(xué)的影響

射電天文學(xué)有自己特別的擔(dān)心之處——因?yàn)樯潆娡h(yuǎn)鏡觀測的并不是電磁波譜中的可見波，所以面對的自然不是“可見性”的問題。對于射電望遠(yuǎn)鏡，主要問題來源于人造衛(wèi)星發(fā)送給地球的信號。此外，射電望遠(yuǎn)鏡不只是觀測夜空里微弱的光。它們在一整天內(nèi)無時(shí)無刻不在觀測天空，所以，人造衛(wèi)星對它們的影響時(shí)時(shí)刻刻存在，不只是晨昏蒙影的時(shí)候。

[圖解：中國天眼FAST，全稱500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST），位于中國貴州省黔南布依族苗族自治州境內(nèi)。是世界上最大最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。用于探索宇宙的起源和演化。圖源The Daily Telegraph。]

但是，如果只有這個(gè)影響，那您就低估了人造衛(wèi)星們。一顆人造衛(wèi)星的信號比射電天文學(xué)研究的微弱的宇宙背景源的要強(qiáng)太多太多，它甚至不用在被觀測物體的正前方，就能對研究進(jìn)行干擾。同時(shí)，處于射電望遠(yuǎn)鏡的“外圍視野”的人造衛(wèi)星信號源也能對觀測造成干擾。

歐南臺（ESO）關(guān)于人造衛(wèi)星對射電天文學(xué)的潛在威脅進(jìn)行了描述：

在天文觀測臺視野中數(shù)以百計(jì)的無線電發(fā)射機(jī)，將會(huì)影響這些高敏感度的射電望遠(yuǎn)鏡的測量。

射電天文學(xué)家對這種干擾有一些應(yīng)對措施，他們把它叫做“頻譜管理”。國際電信聯(lián)盟的無線電通信部門（ITU-R）也頒布法規(guī)來幫助天文學(xué)家們對特定頻段和波長范圍進(jìn)行觀測。然而，最近的大型電信人造衛(wèi)星又構(gòu)成了一些新的威脅。

有一種建議是，設(shè)計(jì)人造衛(wèi)星使其可以避免將信號直接發(fā)射在射電望遠(yuǎn)鏡和射電寧靜區(qū)中。同時(shí)，人造衛(wèi)星星座產(chǎn)生的累計(jì)的電磁噪音必須被控制在國際電信聯(lián)盟已規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)以下。

來自平方千米[射電望遠(yuǎn)鏡]陣天文臺（SKAO）的菲利普·戴蒙德（Philip Diamond）總結(jié)了這個(gè)問題：

在即將到來的一年里，對數(shù)以千計(jì)的近地環(huán)繞軌道人造衛(wèi)星的部署，會(huì)在天空中產(chǎn)生一個(gè)數(shù)量大得多的快速移動(dòng)的無線電發(fā)射源，這將不可避免地改變這片天空的樣貌，也將影響人類探索宇宙的能力。

目視天文學(xué)家能做些什么？

設(shè)想一下，如果有一個(gè)電腦程序，可以迅速地把人造衛(wèi)星留下的軌跡和造成的干擾從天文學(xué)家們的數(shù)據(jù)中清除掉，那一定會(huì)很棒——但是這不是一般的難。

一份最近發(fā)表的報(bào)告中概括了拍攝到的圖片上近地環(huán)繞地球衛(wèi)星帶來的問題：

它們在天文學(xué)的圖片上留下了它們繞轉(zhuǎn)的軌跡，明顯減少了收集到的數(shù)據(jù)的科學(xué)可用性。后期加工圖片只能進(jìn)行部分的補(bǔ)救——較亮的軌跡會(huì)使探測器飽和，導(dǎo)致部分圖像不可用；而清除較暗的軌跡時(shí)，會(huì)對一些重大科學(xué)項(xiàng)目造成嚴(yán)重影響，例如統(tǒng)計(jì)天文學(xué)，以及自動(dòng)化巡天中對黯淡星系的觀測。

（圖解：天文愛好者茲德內(nèi)克·巴登（Zdenek Bardon）拍攝ATLAS彗星時(shí)遇到星鏈過境。橫穿整張圖片的細(xì)長密集的線條就是人造衛(wèi)星留下的軌跡。圖源：zhuanlan.zhihu。）

但也有一些天文學(xué)家可以做的事兒，而他們一直以來也在這么做。他們可以避免去觀測人造衛(wèi)星將要經(jīng)過的天域，減少對在地影區(qū)域的天空的觀測，以及當(dāng)人造衛(wèi)星掠過觀測視野時(shí)迅速關(guān)閉快門。但這些都需要對成百上千的人造衛(wèi)星軌跡進(jìn)行了解，還要做充足的預(yù)先計(jì)劃。顯然，這對于很多的情況在現(xiàn)實(shí)中并不太可能。

人造衛(wèi)星的研發(fā)人員能些做什么？

其他減輕影響的辦法是，讓人造衛(wèi)星的研發(fā)人員調(diào)整他們的設(shè)計(jì)（比如，讓人造衛(wèi)星變暗）。同時(shí)，他們也可以設(shè)計(jì)一種能升高到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡視野之外的人造衛(wèi)星，還可以讓那些不再運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星脫離軌道，還有其他一些助于干擾最小化的可供考慮的辦法。在多數(shù)情況下，人造衛(wèi)星研發(fā)者都表示愿意對此進(jìn)行合作。

不幸的是，在這些公司計(jì)劃部署這座巨大的人造衛(wèi)星星座時(shí)，并沒有提前告知天文學(xué)家。所以天空中早已布滿很多沒有受到任何限制的人造衛(wèi)星，以至于天文學(xué)家們吃力地想辦法縮小他們對觀測的影響。他們的努力沒有白費(fèi)，一個(gè)新的專門收集來自社區(qū)，天文學(xué)家，普通群眾，以及社會(huì)各方的數(shù)據(jù)的中心局應(yīng)運(yùn)而生了，它專為更好地了解人造衛(wèi)星對夜空的影響。

官方機(jī)構(gòu)對減少來自人造衛(wèi)星帶來的危害所做的努力

在2022年6月，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU），連同美國國家光學(xué)紅外天文研究實(shí)驗(yàn)室（NOIRLab）和平方千米[射電望遠(yuǎn)鏡]陣天文臺（SKAO）一起，建立了“保護(hù)暗夜靜空免受人造衛(wèi)星星座干擾”中心（CPS）。這個(gè)中心強(qiáng)調(diào)，提供寬帶服務(wù)的近地環(huán)繞人造衛(wèi)星造成的干擾正顯著增大——包括已發(fā)射的和計(jì)劃中的人造衛(wèi)星。在他們的官網(wǎng)上，您可以看到實(shí)時(shí)的已發(fā)射和計(jì)劃中的人造衛(wèi)星星座的數(shù)量，以及其他一些數(shù)據(jù)。

如下是美國國家光學(xué)紅外天文研究實(shí)驗(yàn)室（NOIRLab）的總監(jiān)康妮·沃克（Connie Walker）的發(fā)言：

在2019年，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）發(fā)射了星鏈計(jì)劃的前60顆衛(wèi)星。從那以后，來自更多公司的人造衛(wèi)星的數(shù)量開始呈指數(shù)型增長，影響著天文學(xué)領(lǐng)域。在2019和2020年，有四個(gè)關(guān)鍵研討會(huì)明確指出了這個(gè)問題，并在天文學(xué)家，民間衛(wèi)星工業(yè)，太空律師以及來自世界各地的人們的幫助下提出了解決該問題的方案。

在航空航天法同行評議期刊中，歐洲空間組織（ESO）的科學(xué)家們于2021年9月發(fā)表了一篇研究。這份研究警告，如果不限制人造衛(wèi)星的數(shù)量，會(huì)使天文學(xué)陷入很大的危險(xiǎn)。他們也一再強(qiáng)調(diào)人造衛(wèi)星星座給天文學(xué)帶來的影響。他們正不遺余力地提出可以讓人造衛(wèi)星和觀測天文學(xué)都不受任何危害性的干涉以繼續(xù)發(fā)展的協(xié)調(diào)性方案。

當(dāng)人造衛(wèi)星危害天文學(xué)時(shí)，我們在失去什么？

來自歐洲空間組織（ESO）的一項(xiàng)研究估計(jì)，在未來將會(huì)有多達(dá)100顆人造衛(wèi)星在晨昏蒙影時(shí)能被肉眼直接觀察到。設(shè)想一下吧，那會(huì)讓您自己頭頂?shù)囊箍盏木跋蟀l(fā)生什么樣的改變？如果您的專業(yè)與觀測衛(wèi)星之后的目標(biāo)有關(guān)，我們將要如何去學(xué)習(xí)宇宙、或者觀測對于地球潛在威脅呢？

(圖解：城市光污染程度圖。從右到左依次是：0-城市/市中心的天空，1-郊區(qū)/城市過度，2-明亮的郊區(qū)天空，3-郊區(qū)天空，4-郊區(qū)/農(nóng)村過渡，5-農(nóng)村天空，6-夜空較明顯區(qū)，7-看夜空的好地方。圖源：noirlab）

國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）創(chuàng)立了“暗夜靜空”工作小組。正如國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）的主席德布拉·艾姆葛林（Debra Elmegreen）所總結(jié)的那樣：

地表人造燈光對我們天空景象的干擾，人造衛(wèi)星星座留下的光學(xué)和紅外軌跡，無線電波在地面和天空中的傳輸，都是對天文學(xué)觀測的切實(shí)存在的威脅。

仰望星空，在人類的歷史和文明里，都是必不可少的一部分。此外，不經(jīng)污染的夜空對野生動(dòng)物們也是不可或缺的。

（圖源：HuffPost）

本文要旨：人造衛(wèi)星的巨大星座對會(huì)危害到天文學(xué)。它們破壞了光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像，也干擾了射電天文學(xué)。天文學(xué)家們正在竭盡全力地限制它們帶來的影響。

BY:Kelly Kizer Whittand

FY:Stella

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