2015年,埃隆·马斯克(Elon Musk)宣布,SpaceX将在轨道部署卫星,为全世界提供高速宽带互联网接入。
SpaceX于2019年5月发射了首批的60颗卫星,意味着星座部署的开始,这一星座被命名为Starlink。截至4月22日,星座共增加了422颗卫星,但反响并不完全是正面的。
除了担心会增加“太空垃圾”外,还有一些人担忧Starlink和其他星座可能会对天文学产生更大的负面影响。作为对这些担忧的回应,SpaceX最近宣布,为了将卫星对天文学的影响降至最低,它将改变卫星的发射方式、绕地球运行的方式,甚至改变卫星的反射程度。
这些改变正是一篇演讲的主题,于2020年世界天文学和天体物理十年调查(Astro2020)期间发表,这一调研由美国国家科学院、工程和医学研究院主办。作为今年举行的全球卫星星座光学干扰会议的一部分,Starlink专家组(包括马斯克)在会上介绍了其公司希望如何将发射星座造成的光污染降至最低。
天空中出现的这些新卫星,已经在业余天文学家之中和天文学界引起了争议。实际上,英国皇家天文学会、美国天文学会、国际天文学联合会及国家射电天文观测台都已经发布了关于Starlink和其它拟议星座的官方声明。
国际天文学联合会表示:
“然而大多数卫星的反射可能比较微弱以至于我们难以用肉眼辨别,它们也不利于大型的地面天文望远镜进行灵敏观测,其中包括现在正在建造中的超广角观测望远镜。其次,尽管在避免射电天文学频率干扰上我们做出了很多努力,从卫星星座中发射出的总无线电信号仍会在无线电波长方面干扰到天文观测。”
这个基本问题在于当卫星绕轨道环地球飞行时,它们会定期捕捉并反射太阳的光线,尤其是当它们远离地球阴影并进入太阳直射范围时(通常发生在卫星“轨道提高”阶段)。在这个意义上,卫星会在之后的几个星期过程中启动推进器以提升飞行高度,以此保证它们不会经历轨道衰减。
Starlink卫星的配置。信用:SpaceXDrag是Starlink卫星更大的问题,自从它们被部署到了550公里(340英里)的低空,为了降低低空碎片的风险,而不是原计划中的1100到1300公里(680和800英里之间)
正如 SpaceX 在总结新闻报道时着重指出的:
“与其他通信卫星相比,Starlink卫星的设计更适宜于非常低的低空飞行。这样的设计在优先考虑空间信号安全下,也尽量减少了信号从卫星到互联网用户之间的延迟。由于它的低空飞行,拖拉也是设计中的一个主要因素。
在这一点上,当Starlink卫星进入轨道提升阶段时,将采用“开放式”飞行配置。由于前方的面板是被平展地部署的,所以它可以减少大气阻力。正因为如此,太阳光可以同时从太阳能电池板和卫星的主体上反射出去。
而一旦当卫星到达了其550千米高的运行轨迹(340英里)——即“空间站”阶段,只有底座某些特定部分能反射光。这是由于卫星的姿控系统通过使卫星呈“鲨鱼鳍”方向来克服阻力,即将其太阳能电池板提升到垂直方向。
Space X试图通过使卫星变暗来降低反射率。Space X公司表示,为了解决这些问题,公司正在与各种组织合作,实施一系列改革。首先,他们正在测试一颗试验卫星,该卫星的反射率比以前的型号要低——这一模型被恰如其分地命名为“暗卫星“(DarkSat)。这类卫星利益暗色相控阵和抛物面天线将亮度降低约55%。
然而,SpaceX也希望实施遮阳板的方案来解决热量问题。受黑色涂料吸收辐射方式的影响,暗卫星在红外光中会发出明亮的光。抛物面天线(白色且漫反射)也将覆盖上类似遮阳板的遮盖物,以减少其反射的光线量。第一颗VisorSat原型机将于本月部署,到6月份以后所有的卫星都将配备遮阳板。
其次,Space X计划改变卫星从插入轨道到停放的方式。目前,公司正在测试一种卫星旋转的机动方式,使卫星与太阳的矢量在同一平面上(也就是说,卫星是太阳的“刀刃”)。这将产生减少接收光的表面积的效果,从而减少反射的光线量。过去,马斯克对这些问题的回应有些轻率(甚至不可否认地无知)。2019年5月,当第一批Starlink卫星发射升空时,他在twitter上发表了以下声明:
已经有4900颗卫星在轨道上了,然而人们从没注意到过。星链也不会被任何人看到,除非人们看得非常仔细,也不会对天文学的发展有任何负面影响。而且我们需要将望远镜移到太空轨道上去。大气衰减是非常可怕的。
这些关于星链卫星造成空间碎片和天空光污染的想法依据了某些人说的什么?
目前太空轨道上已大约有4900颗卫星,人们却几乎看不到它们。除非使用最先进的天文器材并且需要非常仔细的观测,将望远镜移动到太空轨道的每一个角落,否则将不会有任何人看得见StarLink卫星。
并且大气衰竭是极为可怕的。
很明显,在那之后,马斯克和他建立的公司就开始更严肃地对待观点而且安排了一个详尽的计划来处理它们。他们提出的措施被设计出来还有部分归功于公司和美国天文学会、国家射电天文观测台、维拉•C•鲁宾天文台的共同努力。正如他们所说:
“通过AAS,我们定期与天文学工作小组进行了电话通话,这增进了我们对整个天文团队的了解,期间我们还讨论了一些技术细节,分享了最新进展,一起致力于促进天文观测的向前发展......虽然团队交流是一个饱受争议的问题,但如果没有这些具体细节,工程问题很难以解决。Vera C. Rubin天文台便是多次被标榜为最难一起共事的例子。因此,在过去的几个月里我们与那里的技术团队密切合作,以完成这一点。在另外一些想法的讨论中,Vera Rubin 团队提供了降低目标亮度的想法,被用于指导我们解决迭代亮度的工程工作。
SpaceX还指出,有关其卫星轨道和轨迹的信息可在space-track.org和celestrak.com上获取,这样天文学家可以对其观测进行计时,以避免卫星条纹。在天文学家的要求下,该公司也开始在发射卫星前公布预测数据,以保证观测台能够在卫星最明显的前几个小时内安排测量。
要阅读SpaceX关于减轻他们卫星群导致的光污染的方式的声明请访问官网。这次会议是一次基于Zoom并进行记录的虚拟讨论(由于新冠病毒)。SpaceX在会议上的演讲有关资料可以通过国际学术网站获取。