SpaceX 怎么就成了太空探索最大的「敌人」

似乎,星链计划离成功越近,人类探索太空的任务就越艰难……怎么会这样?
2022-02-09 10:57 · 微信公众号:硅星人  作者|杜晨 编辑|VickyXiao   
   

似乎,星链计划离成功越近,人类探索太空的任务就越艰难……

要问全球*知名的私营航天公司,大多数人都知道的那家,一定就是 SpaceX 了。

SpaceX 的名字是个简写,它的全称是 SpaceeXploration(太空探索)。

这家公司算是占了个好名字,然而,它在整个太空探索领域和行业里的名声,却反而越来越差了……

怎么会这样?

作为目前全球发射能力*强的私营航天公司,SpaceX 几乎以一己之力,揽下了美国等世界多国大量的政府和私营公司发射任务。就连美国政府都把以前“国营”的发射台资源,打包交给了 SpaceX 去运营。

如果没有这家公司,太空探索将失去一个重要的交通工具提供者。按理来说,大家都应该尊重 SpaceX 存在的价值才对,然而在一些太空观测者的眼中,SpaceX 简直是“乱来”。

在他们观测太空拍下的照片当中,有越来越多的 SpaceX 星链卫星强势“抢镜”。

*近,来自全球多家天文观测机构的科学家,联合发表了一篇通讯论文,痛陈 SpaceX 星链卫星给他们添的乱。文章指出,近年来星链卫星所污染的观测照片比例,已经占到了整个照片库的将近两成水平,增幅高达35倍。

总在关键时刻抢镜

来自美国政府、欧洲天文台、华沙大学、加州理工、UC伯克利等多机构的科学家,*近在太空探索核心期刊《天文物理期刊》的通讯专栏发表了这样一篇通讯论文:《SpaceX 星链卫星对于茨威基瞬变设施观测结果的影响》(点击文末阅读原文)

备注:茨威基瞬变设施 (ZTF) 是专门用于观测瞬变天文事件 (transient astronomical events) 的观测设施,位于南加州圣迭戈 Palomer 天文台,由加州理工运营。瞬变天文事件指持续时间很短(几秒到几年)的天文事件,如引力波事件、伽马射线爆发等。

科学家们提取了 ZTF 从2019年11月到2021年9月观测拍摄的大量天文照片,对其进行分析发现了这样一个令人担忧的问题:

在将近两年的时间里,ZTF 观测照片中总共出现了超过5300条星链卫星的轨迹。

下图为加州理工发布,展示的是在去年5月用 ZTF 望远镜对仙女座星系拍摄的结果。可以看到,一条很长、很亮的轨迹线直接划过了照片,对于观测主体产生了显著的污染。

值得注意的是,该图展示的只是 ZTF 高达47°视场的1/16而已。在整个画幅上,还有更多的星轨污染。

科学家们还发现,随着 SpaceX 加速推进星链计划,在轨卫星数量快速增加,这些卫星对 ZTF 观测结果带来的污染比例也有了显著的提高。

在2019年底,ZTF 的曙暮光观测 (twilight observation) 照片结果中,只有0.5%遭到星链卫星轨迹的污染。

而到了2021年8月,污染照片的比例已经提升了35倍,达到约18%。

下图中,红线为 SpaceX 在轨星链卫星的数量,蓝柱为同期 ZTF 受污染照片的数量:

论文作者特别提到,近地面轨道上大量星链卫星的存在,对于曙暮光观测产生了严重的污染。

天文学的曙暮光 (astronimical twilight) 指的是清晨和黄昏时,太阳的高度在地平线下12-18°之间,由高层大气散射进入低层大气的阳光。此时段,天空不再被太阳照亮,方便对一些关键天体进行观测,甚至一些天体都可以肉眼看到。

短暂的曙暮光时段,对于发现和观测近地物体 (NEO) 来说非常重要。NEO可能包括彗星、流星,以及对地球存在潜在威胁的天文物体。2020年曾经有一枚直径超过1公里,运行轨道完全在金星轨道以内的小行星,就是 ZTF 在曙暮光时段观测发现的——这些观测活动,对于保护地球和其上的生命非常关键。

然而,曙暮光时段,恰好也是星链卫星对天文观测的污染*严重的时段。

论文作者指出,由于星链卫星属于低地球轨道卫星,在靠近地平线的位置,以及在曙暮光时段,这些卫星投射到地面的表面密度 (projected surface density) 是*高的,即对天文观测带来不成比例的影响。

论文作者也引用了其它科学家的模型推演:在可观测到的低地球轨道卫星当中,大约90%都会聚集在靠近地平面(30°以内)的天空。这些卫星因为太阳光折反射,显著提高了亮度,干扰了曙暮光时段的天文观测。它们的亮度只有在太阳落山后/升起前较长的一段时间里才会降低。

而星链卫星又是目前所有低地球轨道卫星当中数量*多的一套系统,也就成了曙暮光时段天文观测的污染源之首。因此很多地面天文研究人员和观测爱好者都对SpaceX 表达了不满。

不过,论文作者也表示:仅就数据来源的 ZTF 一家来看,其正常的科学观测活动目前还没有受到星链轨迹污染特别显著的影响。

但是考虑到 SpaceX 已经获得美国通讯监管机构 FCC 批准发射更多的卫星,如果未来真的按照该公司的计划,星链网络的卫星总量增加到1.2万颗(目前数量的7倍)的话,后果真是不堪设想。

论文作者估计,当星链系统的卫星数量达到1万颗时,ZTF 所有的天文观测照片都将被星链卫星的轨迹污染——注意,是所有的照片,也即污染比例将会是100%。

更别提,在1.2万的当前计划基础上,SpaceX 还已经向美国政府提交了新的计划,还将发射额外3万颗卫星。到时候,所有基于地面对太空的观测,都将不可避免遭到污染。

夸张一点来说,茫茫众多的星链卫星的存在,将对人类发现和预防近地物体威胁带来更大的障碍。

SpaceX 并非没有努力改正

2019年5月,SpaceX 发射了*批星链卫星。当时,对于大量低地球轨道卫星对天文观测带来的污染,天文学群体就已经表达过担忧。

不过,考虑到星链依附的联邦通讯监管部门 FCC 实权更大,再加上 SpaceX 在航天行业的话语权又高,这些担忧几乎没有对星链的推进带来阻碍。并且,FCC 后续还多次批准了 SpaceX 增加星链卫星数量的计划。

(如果读者朋友*近看过 Netflix 上的电影《别抬头》Don't Look Up的话,应该记得片中掌权者和科技富豪们对于天文学专家的意见有多么轻视。现在看来这一剧情并非虚构的讽刺,只是对现实的描绘而已……)

论文提到,截至去年11月,已经发射升空的星链卫星的数量已经达到了1791颗:其中124颗已经坠入大气层退役,在轨的卫星数量达到1667颗,正常工作中(能够为地面提供互联网服务)的卫星数量为1468颗。

数字仍在飞速增长,原因就在于 SpaceX 每次发射星链卫星上天都不是一颗一颗,而是可以一批一批地发射。每批的数量通常在48到53颗卫星之间,而 SpaceX 猎鹰9号火箭*大负载是60颗。仅今年 SpaceX 的前两次发射任务,就将把在轨星链卫星的数量增加到接近2000颗。

根据 SpaceX 已经披露和提交到监管部门的方案,整个星链计划的卫星总量是42000颗。

作为当今私营航天行业的**,SpaceX 的持续运营和增长过程当中,不可避免要和整个天文学科研群体打交道。

其实,该公司也做出过一些努力,尽量减少星链卫星在天空中的可见性,降低其存在对地面天文观测的影响。

2020年4月,SpaceX 在其官网上公开发文,表示已经就卫星对天文观测干扰的情况和美国国家科学院的专家进行了会谈。该公司表示将对未来发射的星链卫星进行技术改造,采用暗色涂层,以及在卫星*亮的部分安装一套可展开的遮罩,从而降低卫星在天文观测中的反照率。

从2019年11月开始,SpaceX 开始采用 V1.0 版本的星链卫星(虽然版本号是1,这并非 SpaceX 发射上天的*版卫星)。这一代的卫星当中有一颗名为 DarkSat,在外壳表面采用了特殊的暗色涂层来降低反照率。

不过遗憾的是,这种涂层后来被发现导致卫星吸收了过量的可见光辐射,并且会反射过量红外线,导致严重的过热问题。结果,DarkSat 方案很快就被弃用了

少数 V1.0 系列的卫星,以及后续 V1.5 系列的卫星中,增加了一个可部署展开和收回的暗色遮罩(见下图),用于替代之前失败的涂层方案,名为 VisorSat。原理上,在卫星对天文观测影响*大的时段,这些遮罩可以展开,过了时段再收回即可。

前述通讯论文指出,这套采用遮罩的方案对于降低关键时段卫星的可见性效果是比较明显的,然而可能因为机械故障问题,近期发射的一些星链卫星并没有安装遮罩,或者安装了但并未展开过。

SpaceX 在官网上宣称,公司正在和一些知名的天文学协会和研究机构合作,进一步探明卫星对天文观测的影响,并且及时部署解决方案。

然而,从前述这篇刊登于今年1月的通讯论文提供的观测数据来看,SpaceX 的这些努力并没有什么实际效果——反倒是,一边问题还没有得到解决,一边 SpaceX 还在继续加大在轨星链卫星的数量。就在上周四2月4日,SpaceX 刚刚发射了今年的*批星链卫星,共49颗。

“鉴于在轨星链卫星的数量逐渐增长,受到其轨迹影响的观测照片,数量增长的速度也令人警醒,”论文写道,“我们将持续对北半球天空进行观测,并预计将会记录到额外数以千计的卫星轨迹。”

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