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人造卫星对天文学和夜空的日益严重的影响
人造卫星对现代生活已不可或缺,能够进行全球通信、精确导航、天气预报和地球观测。 到2025年,成千上万的运行中的卫星在轨地球,还有数万个计划在未来十年内部署。 虽然这些技术带来了不可否认的好处,但越来越多的技术,特别是在低地球轨道上,正在给专业天文学家和任何重视自然、黑暗的夜空的人带来重大挑战。 本文探讨了人造卫星如何干扰天文观测,如何助长光污染,以及可以做些什么来维护我们对宇宙的看法。
低地球轨道卫星集散的迅速扩展
天文学上最具有破坏性的单一趋势是发射大型卫星星座——由数以百计或数千计的小卫星组成的网络,SpaceX(星际联系)、OneWeb、Amazon(Kuiper项目)等公司和其他运营商截至2025年初将8,000多颗卫星集体投放到低地球轨道,计划在未来几年中将星座超过10万个航天器,这些卫星轨道在300至1200公里的高度上,从地面上很容易看到,并经常通过望远镜观测场。
天空的可见轨迹
每颗卫星都反映阳光,形成亮光的踪迹,这些踪迹会表现为横跨天文图像的直线。即使是在黄昏之后和黎明之前,当地面黑暗时,轨道高度的卫星仍然被太阳照亮。 一颗星际链接卫星可以在原始条件下达到6至7的明显高度,但光线足够大,足以在大型望远镜上饱和敏感探测器。一个完整的星座会大大增加这些踪迹的频率。例如,智利的鲁宾天文台每隔几晚将对整个南天进行观测,预计每30秒的照射都会在目前的星座完成后至少包含一条卫星踪迹。
电磁波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波波
卫星也干扰射电天文学. 许多低地球轨道通信卫星以靠近或与受保护的射电静音区重叠的频段传输用于科学观测. 无线电望远镜听从氢云,脉冲星和宇宙微波背景辐射的微弱信号,可能会被卫星下行链路意外的射线泄漏所淹没. Square Kilomebor Array天文台和其他设施已经报告干扰水平有所上升,迫使天文学家在卫星没有上行时,开发新的过滤技术或在短窗中安排观测时间.
轻污染:超过地面的Skyglow
传统的光污染来自地球上的人造灯光——街道灯光、广告牌、建筑物——它们散射到大气中,并产生一道光亮的雾霾,冲刷昏暗的恒星。 卫星引入了另一种形式的光污染:直接照亮夜空的人工物体。 当许多卫星同时出现时,它们共同反射的光能提升整个天空的亮度,降低天体的对比。
量化夜空的亮度
国际暗空协会和国家光学天文学观测台的研究表明,即使到了中纬度,亮度卫星的累积效应也能使天空亮度比自然水平高5-10 % 。 对于最黑暗的天文点 — — 智利、夏威夷和加那利群岛的远山顶 — — 这种额外的亮度会严重限制探测极弱星系和外行星中转的能力。 在已经受到城市光污染影响的地区,卫星的贡献可能不那么明显,但是对于研究级观测台来说,天空光照的每增加一个百分点都直接丧失了科学能力。
业余星际旅行者自然黑暗的损失
业余天文学家和星座学家也受到了影响,银河的视线已经受到城市无序扩张的影响,在每小时数十盏移动的灯光穿过天空时,银河的视线变得更加渺茫。许多人从未见过一个真正的黑暗天空,因为光污染;卫星增加了一个人造的、移动的部件,干扰了长期暴露的天体测量和简单的夜晚享受。对于在星星中找到意义的文化和社区——从土著天空传统到娱乐天文学俱乐部——自然黑暗的侵蚀是一个有形的文化损失。
缓解战略:工业和科学界正在做的事情
天文学家、卫星运营者和空间决策者认识到这一紧迫性,已开始就减缓措施进行合作,虽然这个问题是全球性的和复杂的,但正在出现一些有希望的办法。
卫星设计改进
降低卫星亮度的最直接方法是使航天器表面变暗. SpaceX, 例如在一些早期的星际链接卫星上引入了“DarkSat”涂层, 使其可见亮度降低了约55%. 然而, 暗涂层可以增加热吸收, 因此还需要进一步工程. SpaceX 另一种方法使用粘膜或罩子来阻挡阳光反射抛光天线和太阳板. SpaceX 后来采用了“VisorSat” 设计, 使亮度更低. OneWeb 和 Amazon 等操作者承诺在未来的卫星中实施类似的降低亮度的措施. 国际天文学联合会(IAU) 建立了一个保护黑暗和安静的天空免受卫星星座干扰的中心,为可接受的亮度限制提供了准则.
业务调整和时间安排
一些观测站与卫星运营商合作预测卫星通过和调整曝光时间,例如哈勃空间望远镜和甚大望远镜等地面观测站现在可以安排观测时间以避免已知的卫星踪迹。计算管道的进展使得许多螺纹文物得以在加工后清除,尽管这增加了复杂性,并可以降解靠近螺纹的数据。 Vera C. Rubin观测站正在开发基于AI的探测和清除算法,以处理预期的踪迹量。
法规和政策框架
国际合作至关重要,因为卫星不受国界的限制,联合国和平利用外层空间委员会(外空委)讨论了黑暗和宁静的天空准则,但这些准则没有约束力,美国联邦通信委员会(它授予许多卫星星座的许可证)现在要求申请人提交对天文学和光污染的影响评估,但是需要签订更强有力的、可执行的国际协定,一些天文学家主张保护区——卫星作业受到限制的轨道高度或倾角——但这些是政治上困难的,欧洲南方天文台和其他主要机构继续游说,要求具有约束力的条例平衡商业利益与科学遗产。
卫星覆盖天空下未来天文学
尽管做出了减缓努力,但计划中的卫星数量之多意味着某种程度的干扰将持续存在,因此,天文学家正在制定新的战略,以便在拥挤的轨道环境中蓬勃发展。
适应性观测技术
未来望远镜的设计可能具有较小的视野,以尽量减少卫星捕获的可能性,或者它们可能在LEO以外的空间完全运行. 詹姆斯·韦伯空间望远镜轨道位于L2,远离最亮的卫星区,未来计划中的观测台如南希·格雷斯·罗马空间望远镜或拟议的可移动世界观测台也会避开低地球轨道. 地面设施正在探索适应光学和实时闭路电视阵列,它们能够遮掩不到一毫秒的卫星通道.
利用卫星数据促进科学
令人惊讶的是,卫星本身可以成为科学工具,一些天文学家正在利用卫星线索来校准天空亮度测量或研究地球大气层,也有人呼吁为未来的低地球轨道星座配备基本的天文探测器,将扰动变为分布式天文台,然而,这种想法仍然是推测性的,需要重大的协调。
平衡技术进步与自然之夜的保护
卫星技术的好处与自然黑暗的保护之间的紧张关系是21世纪的决定性挑战。 卫星改变了通信、灾害监测以及全球互联网接入,特别是对于偏远和服务不足的社区来说。 这些是真正的公益物。 然而,夜空也是一个公益物:奇观之源、科学实验室和与我们共同的人类遗产的联系。 失去这些资源将永远是损失。
最终,解决方案在于主动、透明的合作。 卫星公司必须坚持亮度和射电排放标准。 政府必须投资于减缓研究,执行保护商业空间和天文科学的法规。 公民也可以通过要求更黑暗的天空免受地面照明和太空影响来提供帮助。
天文学观测已经受到影响,但并非致命的。 在持续的努力下,有可能享受卫星服务的好处,同时保持足够的黑暗,以看到恒星。 问题不是卫星是否在轨道上,而是人类如何共同努力,尽量减少它们对最古老的科学和最基本的人类经验之一的意外影响:仰视和好奇。