激增的近地轨道卫星预示科学和社会将出现变化

编译 高斯寒

根据向通信监管理机构提交许可申请数量做出的预测是，到2027年可能有数十万颗人造卫星在近地轨道中环绕地球运行。2019年大约有3 300颗活跃和废弃的近地轨道卫星，而现在的数字是约6 300颗。

当全球各地的公司急匆匆地发射大量卫星进入近地轨道，天文学家们在考虑潜在影响：太空能容纳多少卫星？假如超出了限度，会发生什么事？越来越多的发射、烧毁和太空垃圾对于地球表面和大气层环境会造成什么影响？天体观测和发现会受到怎样的影响？天文学家、卫星公司和其他利益相关方能做些什么来减轻其负面影响？

亚伦·博利（Aaron Boley）是位于加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学的一位行星天文学家，对于太空的可持续利用和开发很感兴趣。他注意到，人类越来越多地依赖太空活动。全球导航定位，银行业和其他用途的时间同步，全球安保、灾难救济、灾后恢复的监控活动，理解气候变化，提供互联网接入等都是范例。

近地轨道能容纳多少卫星星座？上方图片展示了南纬30度日落时分观察到的天空（以球极平面投影记录）。左上方的图片中包括了现有的卫星，而右上方的图片纳入了星链、一网和柯伊伯计划的完整系统。下方的两张图片展现了从卫星不断飞过的太空中观察到的地球。同样，左下方的图片中包括现有的卫星，右下方的图片中纳入了三个计划中的超级卫星星座

“我们想要更多地利用太空，因为它能大幅改善人类在地球上的生活。”博利说道。但博利指出，平流层臭氧层破洞、海洋中塑料的积聚、气候变化问题正告诫“我们人类有惊人的低估自己对环境造成影响的能力”，对于太空的无节制利用“有可能降低未来利用太空的潜力”。

计划构建卫星星座的多家公司之中，处在最前列的是埃隆·马斯克（Elon Musk）的SpaceX公司。目前星链（Starlink）项目大约有2 000颗卫星进入轨道，完整的系统预计拥有大约4万颗卫星。等到未来SpaceX和其他公司将6.5万颗卫星送入轨道时，“你在夜空中看到的每15个光点中就有一个是移动的卫星。”萨曼莎·劳勒（Samantha Lawler）说道，她在位于加拿大萨斯喀彻温省的里贾纳大学研究柯伊伯带（太阳系边缘存在一个由冰物质运行的带状区域）。一网（OneWeb）公司已经发射了计划中由6 372颗卫星组成的卫星星座（相比更早时候48 000颗卫星的计划缩水不少）中的358颗。亚马逊公司的柯伊伯计划（Project Kuiper）准备发射7 774颗卫星。其他发射卫星星座的计划包括中国卫星网络集团有限公司，计划发射12 992颗卫星；卢旺达计划发射超过327 000颗卫星；加拿大公司开普勒通信已经发射了若干卫星，计划打造——或者说是出售位置——拥有11.5万颗卫星的卫星星座。

“我们在改变天空。”华盛顿大学的天文学家梅雷迪丝·罗尔斯（Meredith Rawls）说道， “我们处于转折点。”她在为智利中北部建造中的薇拉·鲁宾天文台做数据管道工作。地球附近飘浮的物体数量激增，使得夜空更加明亮，减少了人们可以看到的星星的数量。卫星和太空垃圾让望远镜观测愈加复杂。

明亮的卫星

卫星反射阳光时变得可见。亮度取决于卫星的材料、尺寸、形状、位置、方向和高度，地面上的纬度、季节和夜晚的时间，地平线上的观测角，望远镜主镜口径等因素。对于一个南纬30度（薇拉·鲁宾天文台的纬度）的观测者，600公里高度的卫星会在黄昏和黎明反射数小时的阳光。

那么，一颗卫星掠过望远镜的视野有什么危害？天文学家尚未有完整的答案。哈佛-史密森天体物理中心的乔纳森·麦克道尔（Jonathan McDowell）说，存在太多未知因素而无法准确预测。到底会有多少卫星被发射送入近地轨道？它们的反射性会怎样？会实施什么缓解措施？

然而，卫星的一些影响很清楚：从光学波长来看，宽视野、长曝光时间的望远镜受到的影响最大。卫星在黄昏和黎明的微明时刻最为可见，这会让侦测近地小行星变得更加困难，一些小行星可能被遗漏。超新星爆炸之类转瞬即逝的天文事件可能遭到隐藏。麦克道尔说：“你不知道的微弱事件可能遭到遗漏。”

“你有麻烦了”

2019年5月，SpaceX公司发射第一批60颗星链卫星后，薇拉·鲁宾天文台首席科学家安东尼·泰森（Anthony Tyson）开始调查卫星对于天文观测的影响。加州大学戴维斯分校实验室做的实验中，泰森和同事们使用鲁宾天文台将会使用的同款电荷耦合器件（CCD）芯片，发现卫星划出的条纹伴随着一些由电子器件非线性串扰引起的平行条纹。他们的计算表明，假如卫星的亮度不超过七等星（恰巧也是裸眼在黑暗晴朗的夜空中能看见的天体视星等极限），那么“幽灵条纹”能够用计算方法移除。

“有10万颗卫星的话，薇拉·鲁宾天文台的每次曝光会有至少一条卫星条纹划过焦平面。”泰森说道。就算“幽灵条纹”受到抑制，主条纹仍然需要被遮盖，以失去一块观测区域为代价。

欧洲南方天文台在智利建造中的40米极大望远镜以及其他大型望远镜（巨型麦哲伦望远镜和30米望远镜）具有更小的视野，但依然会受到影响，因为它们通常曝光时间很长。

多目标光谱望远镜也容易受到损害。由小型马达定位单条光纤，从选定目标拾取光线。“一些可怜的天文学家将不得不去琢磨哪条光纤被飞掠过的卫星反射光污染。”泰森说道，“以识别干扰而论，他们的活比我们在薇拉·鲁宾天文台的工作困难得多。我们是立刻就知道观测画面中是否出现条纹。”

罗尔斯说：“对于一台宽视野的望远镜来说，没有躲闪的余地。”但所有望远镜都会受到影响，差别只在于程度不一。麦克道尔说，假如平均每个视野里捕捉到的条纹不到一条，那么受污染的图像可以径直丢弃或剪裁掉。但如果发展出定型的机制，每张图像中出现许多道条纹，那么“你有麻烦了”。

射电天文学特别容易受到损害，因为卫星发出的下行链路信号压倒了来自天体的信号。频谱的某些区段受到国际电信联盟（ITU）规章的保护。哈维·李斯特（Harvey Liszt）是美国国家射电天文台的频谱管理员、国际射电天文与空间科学频率分配科学委员会（IUCAF）主席。他说，ITU的保护仅此而已。现在射电天文学家们希望观察频谱更多的区段，比几十年前通过规章时保护的区段远远更多。“因为宇宙在膨胀，我们收到遥远处不断后退的源头发出的红移信号。”

此外，在偏僻地点对射电望远镜的特别保护措施仅对地面源适用。“我们面对卫星毫无保护。”在澳大利亚和南非建设中的平方千米阵列天文台（SKAO）的频谱管理人员费德里科·迪弗鲁诺（Federico Di Vruno）说道。射电望远镜也许能缩短曝光时间，让干净的数据最大化，从而在部分程度上适应新情况。干涉测量术也有帮助，能稀释来自卫星的信号造成的影响。

“新的卫星星座给我们查看天空的方式带来大变化。”迪弗鲁诺说，“难点在于弄懂干扰是如何产生的，要如何避免直接的下行链路信号和外溢噪声。”李斯特注意到，射电天文学在过去几十年里一直在与卫星斗争。“坏事将会发生，就像天要塌下来，只是不会全部塌下来，因为卫星不会用掉整个频谱。”

天文学家也在构思硬件解决方案。在射电天文学中，可以修改接收设备来掩蔽卫星信号。也可以将一台小型广角光学望远镜放置在一台大得多的望远镜附近，以识别光谱研究中被卫星反射冲击的纤维。“假如你投入足够多的钱，那也许行得通。”泰森说，“你得要知道卫星的存在，知道它有多亮，知道要减去多少太阳光谱。”

产业与监管措施

“天文学的主要问题是现实中的几乎零监管。目前的监管格局面对这些大规模卫星项目无法胜任。”安德鲁·威廉姆斯（Andrew Williams）说道，他在欧洲南方天文台负责处理对外关系，天文学家、卫星公司等正在与各个国家和国际机构合作制订政策。

2022年2月的年会上，联合国和平利用外层空间委员会（UNCOPUOS）的科学技术子委员会讨论了为了科学和社会让天空保持安静的问题。“他们为我们在明年的会议中增加了一个议程。这是一项壮举。”美国国家科学基金会国家光学红外天文研究实验室（NOIRLab）的康妮·沃克（Connie Walker）说道，“政策层面的工作进度缓慢，等级分明，但最终事情得以完成。”而且，因为联合国通过共识来运作，一旦被采纳，它们能产生重大影响。“我们希望UNCOPUOS支持最佳实践的指南。”威廉斯说，“这将创造出一个社会规范来供大家思考。我们也要求承认天文学是太空领域的一部分。”

加拿大罗斯尼天体物理天文台在2021年5月收集到2小时的天文观测图像，出现多条相互交叉的卫星条纹。图片的中心附近是一个球状星团，而在其不远处的是一颗彗星

理查德·格林（Richard Green）是亚利桑那州大学斯图尔德天文台负责政府关系的助理主任。“一个产业组织正在开发太空利用的最佳实践，天文学通过与卫星公司合作将走得最远，发展得最快。”格林说，“最终，缓解措施应当成为获取发射或运营许可证必要条件”。

确实，技术进步的步伐远远超过法律框架的形成，所以就中短期来看，天文学家将被迫仰赖卫星公司的善意。“卫星公司不是打算要毁掉天文学，”华盛顿大学的罗尔斯说，“但它可能存在副作用。”她注意到，运营方的任何缓解措施都是自愿行为。“没有什么规定能强制卫星公司将天文学界的需要纳入考量。”

SpaceX公司将卫星涂成暗色，使得它们的反射性下降，但这会使得卫星变得过热。遮阳板更好用，但它们又阻挡了卫星之间的激光信号。其他减少反射的方法包括调整卫星的方向，优化表面材料。亚马逊公司的一位发言人表示，今年秋天公司会用柯伊伯计划的原型任务试验缓解方法。

高度越高，地球的阴影越少，卫星在夜晚的可视时间就越长，卫星也移动得更慢。所以，即使高度更高的卫星会比高度较低的卫星更加暗，但较慢的移动速度意味着望远镜摄像机中的一个给定像素会拾取更多光。“由于对地基天文学的影响，对于太空垃圾生成和寿命的关切，最优先的建议是根除或强力管控600公里以上高度轨道中的大型卫星星座。”美国国防咨询小组JASON在2020年报告中指出。一网公司的卫星处在1 200公里高度的轨道，但其他大多数公司计划中的卫星星座高度都在600公里以下。

天文学家说，对于一些天文观测，关于卫星位置和轨迹的准确信息会极其有用——它们能记录数据收集的时间。但轨迹有时会出于某些原因而临时调整，譬如避免与其他卫星或太空垃圾碰撞。“假如一些公司树立了典范，”罗尔斯说，“我们希望其他公司会采取类似的缓解措施。”

协调保护措施

关于如何应对激增的卫星数量的相关思考是新成立的“保护黑暗和安静天空免受卫星星座干扰中心”的工作范畴。该虚拟研究中心在4月1日由国际天文学联合会（IAU）发起，联合主办方包括NOIRLab和SKAO，共设立4个分部，分别聚焦政策、产业和技术、社区参与、数据和软件。沃克与迪弗鲁诺担任联席主管，中心会努力协调所有相关方面的举措，统一天文学界的声音，与产业界一起出力。

中心在前三年从国际天文学联合会获得13.5万欧元（约95.5万元人民币）资金。数据和软件分部的任务是创建卫星干扰相关信息的资料库，编写软件来让卫星干扰影响最小化。沃克说：“解决方案不会放之四海而皆能用，但运气好的话，我们能创造出一些工具，经过调整就能适用于不同情形。主要挑战在于资金，到目前为止，中心的人员一直在无偿服务。他们不能永远那样奉献下去。他们还有本职工作要做。”

麦克道尔说：“我们在寻找解决方案方面干得相当好，但我们需要资源。而且这方面的工作占用了我们做科学研究的时间。”里贾纳大学的劳勒同意上述说法，他认为“专业天文学研究会将丢失数据，未来会需要更多金钱和时间才能获得发现”。

社区参与分部的计划是让环保人士、当地社区、天体旅游爱好者、天文摄影师和天文馆专业人士聚到一起来。旧金山大学的天文学家阿帕纳·文卡特桑（Aparna Venkatesan）说：“每个人都与天空息息相关，目前太空对于大家来说是个自由放任的地方。建立起的体系让少数人获益，太空容易受到流氓行动的伤害。我们希望国际天文学联合会开展国际对话，从而更加公平、周详地利用太空。”

对于天文学家以及业余的观天者、关心文化遗产的人士来说，最好的结果是将卫星数量控制在最低限度。然而，按照泰森的说法，数十亿美元的资金在“促使这些公司尽快地发射卫星，所以这是不可能的”。

“我对SpaceX公司尽全力采取行动，并试图减轻影响的做法表示赞赏。”泰森说道。“然而，最终，他们可能没能达到把卫星亮度控制在七等星的目标。”

“大家十分害怕惹恼人造卫星产业界。”一位要求不透露身份的天文学家说道，“产业界做出的让步很小。越来越多的卫星对天文学来说却是一种关系到生死存亡的威胁。”

交通堵塞

即使对于天文学的关切没有导向国际性规章，卫星轨道上的拥挤情况也可能促成规章诞生。“我们从未在我们即将制造的环境下操作过——拥挤程度会比我们以前经历过的高得多。”不列颠哥伦比亚大学的博利如此说道。

2018年天文节时，位于新墨西哥州查科文化国家历史公园内的法哈达小方山，该地点是获得认定的国际黑暗天空公园。夜空的景象和视野会因人造卫星的数量激增而受到影响

卫星的碰撞产生太空垃圾，这又可能导致更多碰撞。这种失控的连锁反应可能导致未来的发射变得危险或不可能实施——危及卫星和国际空间站。JASON、美国宇航局（NASA）和其他机构做的预测显示，在1 200公里轨道中有8 000颗卫星存在重大危险。在更低的高度，失控连锁反应也可能发生，但大气阻力会使得太空垃圾减速。

卫星在重返地球时烧毁，喷射出铝和其他材料进入太空。发射也会产生污染。每颗星链卫星将运行五年。“假如你做下数学计算，平均下来，一天有23颗卫星脱轨。那等于说，给高层大气增加大约6吨铝。” 劳勒说，“这将比自然形成的陨石更多，陨星有着更高质量，但主要由氧、硅、镁和铁构成。”

文卡特桑说：“太空正在变得拥挤不堪，不同的利益相关方——天文学家、军方、讲故事的人、知识持有者、文化工作者——都想要在接下来的几世纪、而不只是接下来的数年里进入太空。我认为我们能以此为基础团结起来。”

资料来源 Physics Today