新近出现的天象——星链凌月 SpaceX的“星链计划”究竟是什么

制作人:新浪科技《科学人人》

作者:

阎利军是中国科学院国家天文台的研究员和中国科学院大学的天文学教授

中国科学院刘子铭国家天文台台长

2020年4月27日晚，一个新的天体现象让一些爱好者兴奋不已。在北京，当晚8点37分左右，一组“星链”卫星从西北方升起，经过月球，几分钟后变暗消失。这就是新出现的天文现象——星链凌日。

这些卫星链是SpaceX“星链计划”发射的通信卫星的一部分。它们通常由22颗串联的卫星组成，在特定的轨道平面上运行。当它们穿过天空空时，由于反射的太阳光而发光，在天空中形成一系列光斑空，是夜晚的壮观景象空。有人把他们比作天空中的“三体舰队”空。

根据2019年4月联邦通信委员会的指示，SpaceX将在10年左右的时间里向低地球轨道发射12000颗卫星。10月，SpaceX宣布将新增3万条“星链”。虽然马斯克最初承诺这些卫星几乎不会被注意到，但它们经常出现在世界各地的望远镜和相机镜头中，但天文学家开始担心和烦恼。

SpaceX的「星链计划」是什么？对科研和人类生活会有什么影响？有什么方法可以避免或者解决可能出现的问题？

全球网络覆盖——“星链工程”

“星链计划”由泰空的服务公司SpaceX于2015年提出。它通过低地球轨道卫星群提供覆盖全球的高速互联网接入服务。作为“钢铁侠”的原型，埃隆·马斯克打算依靠星链将高速宽带互联网覆盖到难以建设地面基站的地区或无法到达的地方，让地球上几乎所有地区的人们都能使用廉价稳定的高速宽带。

因为卫星网络没有地面通信基站建设带来的问题，而且卫星间信号传播的通信延迟低于基站间光纤传播的通信延迟，可以说“星链工程”完全有能力对抗“第五代移动通信技术”。

　　图4：铱闪发生时铱星的光度可以由肉眼难以注意到的5-6等极速升至-8等以上，几秒后又再度变暗直至消失，来源：http://www.astrocn.com/beta/tags/%E9%93%B1%E9%97%AA图4:铱闪发生时，彗星的光度可以从肉眼难以察觉的5-6上升到-8以上，几秒钟后再次变暗直至消失。来源:http://www.astrocn.com/beta/tags/%E9%93%B1%E9%97%AA

远高于铱星的卫星链数量最近被一些星空爱好者拍到，亮度甚至可以超过织女星。如果这种闪光整天传播，造成的光污染将不堪设想。

　　图8：2019年11月22日，意大利法拉天文台观测麒麟座α流星雨，入镜大量星链卫星 ，来源： 法拉天文台图8:2019年11月22日，意大利法拉天文台在独角兽观测到α流星雨，大量星链卫星进入镜中。资料来源:法拉天文台

显然，无论对于业余恒星空爱好者还是专业天文学家来说，所有被轨迹遮挡和触碰的天体数据都是无效的。在专业的数据处理中，通常使用特殊的算法来识别这些卫星轨迹，然后将这些信息涂抹掉。

图9：利用算法识别并消去卫星轨迹带来的影响，来源：Desai et al.2016图9:利用算法识别和消除卫星轨迹的影响。资料来源:德赛等人，2016年

但是，在天空的卫星链下，这可能是望远镜里留下的画面。

　　图10：法拉天文台全球流星网络摄像机拍摄麒麟座流星雨堆栈后的结果，大量的星链轨迹布满整张图片，来源：Farra Observatory 图10:法拉天文台全球流星网相机拍摄独角兽流星雨堆栈的结果，大量恒星链轨迹被全图覆盖，来源:法拉天文台

显然，直接扔掉这些数据，似乎比逐个去掉卫星的运动轨迹更为正确，而“星链计划”正在迫使天文学家扔掉更多有用的数据。

本发明模拟了42000颗卫星链对未来观测的影响。结果显示，多达30%的图像将包含至少一个卫星轨道。这些卫星的亮度测量还表明，这些轨道在LSST图像中将会过饱和，这比典型的星系亮2000万倍。在极端情况下，由于它们的亮度，这些观察到的图像将是无效的。因此，LSST必须在10年观察计划中增加4年来弥补这些损失。

LSST提出了两个解决方案来缓解这个问题。一是增加曝光次数。通过将30秒的标准曝光改为两次15秒，如果其中只有一次包含卫星轨迹，那么另一次曝光可以弥补轨迹造成的影响；第二个方案是降低卫星亮度。如果卫星的亮度降低十倍，它们在LSST图像中的过饱和度将大大降低。但是，毫无疑问，任何解决方案都应该以延长观察计划为基础。

窗外“雾蒙蒙”的，广播乐队也是受灾最严重的

不仅在可见光波段，在无线电波段，卫星链仍然会造成严重的观测干扰。

以中国贵州500米球形射电望远镜为例，在5公里半径内的核心区域应保持无线电静默，该区域内严禁使用任何手机、数码相机和智能可穿戴设备。即便如此，FAST仍然无法避免来自天空空的干扰，只能在安排观测时避开卫星过境时间。

图11：地处贵州深山腹地的FAST也只能依靠地理条件屏蔽来自地面的干扰图11: FAST位于贵州深山腹地，只能依靠地理条件屏蔽地面干扰

“无线电天文设施极易受到卫星信号向下传输的影响。毕竟射电望远镜无法借助地理屏障屏蔽来自上层空的干扰。”美国无线电频率委员会主席丽莎·范·齐说。但是卫星运行产生的无线电波可能会直接影响射电望远镜对高频信号的观测。

由于射电望远镜探测到的科学目标大多是宇宙中非常微弱的电磁信号，显然来自卫星链的信号要比它们强得多，它们会对同频率的宇宙射线产生强烈的无线电干扰，不仅会淹没大量卫星数据中所需的信息，还会损坏高度敏感的无线电观测设备。为了避免卫星链带来的不利影响，地面射电望远镜必须避开卫星的过境时间。如果所有的卫星链都进入近地轨道，也许我们将不得不放弃某些波段的观测，这对射电天文学来说无疑是一个损失。

一般来说，这些布满天空空的卫星会增加地面天文观测的负担，而且由于卫星链的介入，前期观测规划和后期数据处理的工作量都可能翻倍。2019年诺贝尔物理学奖得主、剑桥大学教授迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)在最近的一次采访中表示:“我喜欢无线网络全球覆盖的想法，但这并不是没有成本。有些人和days 空做生意。结果，我们就要损失几天了空！”

SpaceX能补救两全其美吗？

如果回到2019年5月，卫星链正式发射之前，马斯克一直声称卫星链不会对天文观测产生任何影响。但马斯克毕竟不是科学家，他低估了卫星对天文观测的影响。卫星发射后不久，科学家们估计了大量将要发射的卫星对天文观测的影响，确实发现对天文观测的影响不小。马斯克也对这个结果做出了积极回应。因此，在美国天文学会和国际天文学联合会协助的天文学家与SpaceX对话期间，SpaceX团队准备采取各种措施，减少卫星对天文观测的影响。

在2020年1月6日的发射计划中，SpaceX用空发射了一颗“暗星”，并通过对卫星表面进行黑化来实验亮度降低效应。根据3月6日的观测结果发现，与没有黑化的星链卫星相比，黑化卫星的亮度下降了2倍左右，星等从6.7下降到7.6。虽然这种黑化方法肉眼很难看到，但仍然不足以满足专业天文台的需要，尤其是进行大视场观测的天文台。

不过一般来说，没人想黑卫星。首先，因为黑化的卫星材料首先需要有很高的要求，比如不能和大气中的氧原子一起氧化，否则会造成图层脱落，产生过多的空垃圾，这也是极其有害的。1983年，挑战者号航天飞机在返航途中被一块油漆击中，留下了非常明显的痕迹。幸好玻璃窗是四层。此外，黑化后，面对太阳时温度会上升，但在没有太阳的情况下进入地球阴影时会下降，因此会导致卫星温度变化过大，大大降低卫星的使用寿命。

此外，这种涂层存在一些潜在的问题，可能会导致一些错误的观察。当这些黑化的卫星经过恒星时，会导致恒星的亮度降低，这在天文学上称为掩星效应。这个方法是在寻找系外行星的过程中使用的。如果大量卫星发射上来空，会导致很多假信号，增加数据处理的难度。

除了卫星，在2020年3月举行的卫星大会上，SpaceX工程师还提出了每个卫星都可以配备遮阳伞的想法，这样可以防止阳光被反射。不过这只是一个想法，如何设计和推出太阳伞装置也是一个很大的问题。

2020年4月27日，在美国科学院举办的“天文学2020”专题会议上，天文学界和马斯克受邀对话。在这次对话中，SpaceX进一步指出，闪光亮度与卫星姿态有关，会调整卫星姿态，尽快发射一些黑化的高性能卫星，以取代旧卫星。

然而，SpaceX公司的措施在改善卫星环境方面非常有限/[/k0/】。马斯克给天文学家的建议之一就是观察太空，并在这次会议上向天文学家推荐他的星舰。虽然发射空望远镜进行观测也是解决方案之一，而且火箭技术已经非常成熟，但是空设备的高预算让大多数天文学家望而却步。比如詹姆斯·韦伯空站间望远镜一台就有近百亿美元的预算，但它的主镜孔径只有6.5米。而如果要把一个地基望远镜那么大的怪物送入Tai 空，那要花费的预算大概是天文数字。

图12：NASA斥巨资建造的詹姆斯·韦伯望远镜，来源：NASA图12:美国宇航局投入巨资建造的詹姆斯·韦伯望远镜。来源:美国航天局

总的来说，如果SpaceX不能给出更好的解决方案，恐怕“星链计划”给天文研究所带来的困难可以称之为灾难。要知道地面上肉眼可见的恒星只有5000颗左右，即使不加上后续计划中的3万颗卫星，按照目前的发射速度，它的数量很快就会超过肉眼可见的恒星数量。

虽然FCC已经批准了SapceX发射1.2万颗卫星，但也有人对SpaceX能否连续发射提出了质疑，因为SpaceX向近地环境发射这么多卫星，实际上已经破坏了天空空环境，所以也有人质疑FCC批准发射这么多卫星的合法性。

然而，目前更多的卫星发射是不可避免的，因此天文学家们正从观测和后期软件处理的角度积极提出一些应对策略，如上述LSST减少每次观测时间的方法。

在无线电波段，CORF目前正在与SpaceX谈判，以达成一项平衡科学和电信公司利益的协议。地球大气层的射电窗口虽然很宽，但是经不起太多的分割，留给射电天文学的带宽越来越窄。

发布会还在进行，关于这个话题的讨论还会持续很久。“应该空免费，还是会是下一个市场？”迪迪埃·奎洛兹在接受采访时说，“我将非常高兴看到关于这一点的辩论，因为我们每天都会看到他们。希望全世界都能参与讨论。卫星链及其带来的问题真的是我们想要的吗？”

习近平总书记在2019年中国北京世界园艺博览会开幕式上说，“让子孙后代看星星空，看青山，闻花香”。仰望星空空不仅可以满足人们的兴趣爱好，也是科学发展中不可缺少的重要组成部分。纵观科学发展的漫长历史，天文学在科学发展乃至人类文明进步中发挥着不可替代的作用。我们应该一起珍惜我们上方的星星空。

谢谢:感谢微博小龙哈勃和光头怪博士总结美国十年规划中的星链计划讨论。

参考文献:

[1]:特雷格洛-里德，奥塔罗拉，奥尔蒂斯，等.引用该论文王志平，王志平，王志平.

[2]:维拉·C .鲁宾天文台-卫星星座的影响

[3]:https://www.youtube.com/watch? v = Da4Fufgxtkq

[4]:纳迪亚·德雷克.埃隆马斯克的Starlink卫星会危害天文学吗？以下是我们所知道的。https://www . national geological . com/science/2019/05/elon-musk-starlink-internet-卫星-麻烦-天文-光污染/#close

[5]:德赛S，莫尔J J，贝丁E，等.引用该论文王志平，王志平，王志平.天文学和计算，2016，16: 67-78 .