SpaceX的星際鏈路衛星嚴重污染夜空，對天文學產生巨大的影響

圖註：2020年1月6日，SpaceX的第三列星際鏈路衛星發射成功，火箭成功地軟著陸回收。然而，60個星載衛星中的59個的亮度對天文學家的地基觀測造成最大程度地污染。在SpaceX兌現他們對天文學家的承諾之前，很少有人會相信他們對夜空的良好管理承諾。

2020年1月29日星期三上午，SpaceX成功地發射了第四列60顆星際鏈路衛星。第一階段將成為全球提供5G服務的衛星陣列的一部分，共有1584顆衛星，最終計劃擴展到約12000顆，然後擴展到約42000顆，以提高覆蓋率、連接性和數據吞吐量。SpaceX只是眾多公司中的一家——包括亞馬遜、OneWeb、TeleSat等——計劃在本世紀推出5G提供衛星巨型星座。

但是人類最偉大和最古老的資源之一：夜空卻要付出巨大的代價。這些衛星群不僅是天文愛好者和業餘天文愛好者前所未有的光污染源，而且前所未有地威脅著地面天文學。SpaceX的星際鏈路衛星目前是活動衛星和這種新型空間污染的最大單一來源，由此產生的問題給全世界數以千計的天文學家帶來了危機。

圖註：2019年11月18日，大約19顆星際鏈路衛星經過Cerro Tololo美洲天文台，擾亂了天文觀測，阻礙了以真實、可測量的方式進行科學活動。如果SpaceX目前的計劃如計劃的那樣展開，那麼對天文學的影響將是非同尋常的。

我們擁有衛星已經很長一段時間了，天文學家已經能夠處理它們，同時從它們的儀器中獲取最大的科學價值。然而，這些新興的巨型星座所構成的當前威脅與天文學界以往所面臨的任何威脅都不同：天體物理學家凱爾西·詹森（Kelsey Johnson）在最近的TED演講中闡述了這一點。

以前的衛星是：

位於可預測的軌道上，在那裡它們的位置可以提前很好地預測，並通過戰略觀測計劃來避免，

亮度低，這意味著當一個人被觀測到時，一旦它從望遠鏡的視野中消失，它就不會產生延遲效應，

數量密度低，因此一旦一顆違規衛星通過，天文目標就可以毫不延遲地再次被觀測到，

或者是在近地軌道上，在天色微暗之後，它們會迅速通過，完全變暗；

或者是在地球同步軌道上，由於它們與地球的距離太遠，它們會緩慢移動，非常昏暗。

然而，星際鏈路衛星陣列帶來了一系列天文學家沒有能力處理的新問題。衛星路徑本身被設計成需要不斷修正航向的軌道，人工智慧需要控制它們的位置和軌跡，以便實時調整。正如天文學家丹尼爾·卡頓所指出的那樣，星際鏈路衛星的亮度比所有其他衛星的亮度都要高出99%，即使它們被提升到最後約550公里的軌道。

圖註：通過向國際電信聯盟提交額外3萬顆星際鏈路衛星（除了已經批准的1.2萬顆）的運行文件，夜空將永遠不會是原來的樣子。如果埃隆·馬斯克、星際鏈路、SpaceX和這個空間的其他主要玩家認真地想成為夜空的好管家，他們不會等待一個國家或國際機構強迫他們做正確的事情。

它們的結構被設計成一系列相交的列車，這樣當一顆衛星通過一個特定的天空區域時，另一顆衛星緊隨其後。如果你的觀測目標將被一顆星際鏈路衛星拍到，你可以期待更多的——甚至幾十個，正如一些觀測站已經經歷過的那樣——很快就會出現。

像SpaceX這樣的公司能採取的最重要的行動就是降低這些衛星的整體亮度。天文學利用星等系統來討論亮度，在那裡，較大的數字比較微弱。最亮的恆星是星等-1；最暗的裸眼恆星是星等+6；典型的雙筒望遠鏡顯示的是星等+8或+9的恆星；現代的寬視場望遠鏡可以探測到星等+24的物體，而哈勃的深視場觀測則可以微弱到星等+30。

大多數天文學家根據他們在以前的通信衛星上所看到的情況，預計這些衛星在低空發射時，大約在+4或+5級，一旦進入最終軌道，它們將變暗到+8或+9級。然而，由於沒有提供規範，他們依賴SpaceX進行自我調節，正如射電天文學家魯斯金·哈特利（Ruskin Hartley）所說，他們是夜空的好管家。

圖註：這張照片是由天文學家菲利普·馬西（Philip Massey）於2019年12月8日拍攝的，他指出，這張（被毀壞的）照片是對大麥哲倫星雲的調查的一部分，在計劃中的12000顆星際鏈路衛星中，只有1%被部署。由於這些巨大的衛星星座，地面天文學的未來面臨著巨大的障礙。

2019年5月，當第一列星際鏈路列車啟動時，它震驚了天文學界，而且效果不佳。這些衛星的亮度約為預期的20倍，達到了+2級，使新發射的星鏈躋身夜空最亮的50顆恆星之列。即使在更高的最終軌道上，星鏈仍保持在+5級：肉眼可見，最令人不安的是，遠高於現代天文探測器的飽和極限。

專攻光學天文學如何受衛星星座影響的天文學家派屈克·塞澤，在美國天文學會第235次會議上發表講話，表達了他的驚訝。

我們知道數萬個巨型星座即將到來，但根據目前軌道上物體的大小和形狀，我認為它們可能是+8或+9級。我們沒有預料到+2或+3。

然而，令天文學家更為困擾的是，SpaceX一再聲稱對其衛星的亮度也感到驚訝。

圖註：2019年11月18日，在CTIO的4m望遠鏡上，一個由星鏈衛星組成的星座通過了暗能量照相機的觀察框架。我們用來減去這些軌跡的任何技術都會阻礙我們探測潛在危險小行星或測量宇宙中可變物體的能力。

2019年12月6日，SpaceX總裁格溫妮·肖特韋爾（Gwynne Shotwell）表示，「沒人想到這一點。我們沒想到。」 在2020年1月8日舉行的美國天文學會第235次會議上，受邀的SpaceX衛星政府事務副總裁帕特里夏·庫珀（Patricia Cooper）發言人重申了類似的信息：「我們的亮度和能見度水平令我們感到驚訝。」

這些說法之所以讓天文界如此不安，是因為在任何情況下，衛星公司都不應該對其衛星的亮度感到驚訝。基於幾個簡單的物理參數：

組件的大小和反射率，

相對於太陽和地球的方位，

衛星離地表的距離，

你應該知道你的亮度是多少。科學地說，你會感到驚訝的唯一原因是，如果你事先沒有進行足夠的測試來知道結果會是什麼。天文學家雷切爾·帕特諾·馬勒甚至把SpaceX對天文學的承諾稱為「空口的應酬話」。

圖註：這張圖片顯示的是2019年5月23日發射入軌的首批60顆星際鏈路衛星。在部署之前，它們仍處於堆疊配置中。你可以清楚地看到，這些衛星具有很強的反射性和相當大的體積；即使在SpaceX注意到許多合理的問題和解決方案之後，仍繼續發射這些衛星，這表明他們缺乏解決這些問題的決心，相反，表明了他們對自己的商業野心的決心，不管社會成本。

SpaceX的「驚喜」聲明向許多天文學家表明，他們並不在意做功課。更令人困擾的是，在解決影響天文學的亮度問題上，缺乏緊迫性。儘管SpaceX非常樂於接受討論，正如羅威爾（Lowell）天文台主任（和AAS衛星星座委員會主席）傑夫·霍爾（Jeff Hall）所報告的那樣，但迄今為止他們採取的行動很少。

自2019年5月首次發現這一問題以來，SpaceX只在此後發射的180顆衛星中放置了一層實驗塗層，使其中1顆變暗，包括最近一批（60顆）中的0顆變暗。在美國天文學會相關會議的問答階段，SpaceX的庫珀透露，不管一顆暗試衛星的測試結果如何，每兩周將繼續發射60顆新衛星，直到1584顆衛星全部升起。

這些評論導致天文學家安德魯·塞弗林斯基得出以下結論：

「這個使我困惑，每個人都說他們可以解決這個問題，但當然，除非他們必須這樣做，否則他們不會正確地解決這個問題。當然，為了做給外界看，他們會做一些小的改變。」

圖註：首批240顆星際鏈路衛星已經成功部署，已經讓天文學家頭疼不已。只有一顆衛星被塗上了測試變暗工藝，SpaceX目前正計劃在對變暗工藝進行評估之前，再發射60顆仍採用原始設計的星際鏈路衛星兩次。

這些衛星星座將對天文學產生巨大的影響。尋找潛在危險的小行星和彗星，這是整個宇宙中最危險的物體，對於我們物種的生存來說，最好是在日落後和日出前不久進行觀測。識別和測量瞬變和變星事件，如超新星、耀斑和變星，是我們在緩解這些明亮的干擾物方面會失去的東西。超級ASAS-SN網絡已經在推特上發布了大量來自星際連結的毀滅性觀測結果。

整個原因是差分天文學——一種從一個圖像/幀到下一個圖像/幀搜索天文學變化的技術——依賴於識別亮度或位置的微小變化。當一個大的變化發生時，例如一顆明亮的穿插衛星的通過，小的變化是看不見的。在目前的亮度下，探測器很容易飽和，在幾分鐘後破壞任何觀測。

圖註：2019年5月25日，位於亞利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄爾天文台拍攝了這張星系群NGC 5353和NGC 5354的照片。這裡顯示的軌跡來自25顆星際連結衛星。隨後用相同探測器拍攝的圖像也會使這些偽像在它們中滯留數分鐘，因為探測器被經過的衛星完全飽和。

隨著天文儀器的不斷改進，它們對較暗的物體變得更加敏感，同時也能更好地成像更大、更寬的視野。維拉·C·魯賓天文台（Vera C.Rubin Observatory）將擁有迄今為止建造的最大、最深的廣域望遠鏡——大型天氣觀測望遠鏡——將受到這一衛星網絡的最嚴重影響。

維拉·C·魯賓天文台的兩個科學專長是尋找潛在的危險天體和瞬變事件，並且具有廣闊的視野和深度成像能力，到2020年代中期，其視場中總會有不止一顆衛星。正如天文學家維維安·巴爾達薩雷（Vivienne

Baldassare）所指出的，最初的星際鏈路設計將使探測器100%飽和。即使衛星發生變化，正如LSST的托尼·泰森指出的，天文台本身仍將被迫改變其在多條戰線上的運作。

圖註：維拉·C·魯賓天文台（Vera C.Rubin observatory）的LSST，如2018年的一張照片所示，目前正在建造中，即將做好首次觀測的準備。即使發生了衛星變暗，這個世界級的，同類中的第一個天文台也將被迫改變它的運行方式來解釋星際鏈路。

埃隆·馬斯克本人在美國天文學會會議後就星際鏈路發表了以下聲明：

「我們和主要天文學家進行了很好的討論。不管怎樣，我們都會確保星際連結不會阻礙新的發現或改變夜空的特徵。」

天文學家們指出，問題是星際鏈路已經在做這兩件事，維維安·巴爾達薩雷指出，大約兩個小時的黃金觀測時間，即大約20%的夜晚，已經受到星際鏈路的顯著影響。

對於大多數天文觀測者來說，最有希望的技術解決方案或許是由弗拉德·帕什科夫斯基領導的俄羅斯科學家團隊提出的隱形運輸系統。如果我們能夠知道，在大約1秒的精度範圍內，當一顆衛星穿過望遠鏡的視場時，一個特殊的快門可以在整個過程中關閉，然後立即重新打開，防止探測器飽和，而不管亮度如何。

圖註：專門的快門系統可以防止冒犯性衛星（如Starlink）的光線進入望遠鏡，使探測器保持飽和。據估計，通過採用這種系統，可以消除衛星通行證將引起的大約10%的數據損失。

不幸的是，對於天文學家來說，星鏈和其他即將到來的巨型星座網絡，每個都有數萬顆衛星，真的是天文學的難題。它們提出了僅靠軟體無法解決的實際硬體問題，而地面觀測站執行的任務是天基倡議無法取代的。在法規實施並生效之前（天文學家知道他們不能等待，儘管有些人認為聯邦通信委員會批準星際鏈路可能是非法的），世界將不得不依賴SpaceX和其他公司來自動監管自己。

正如天文學家凱特琳·凱西所說，「事實上，一個人或一個公司可以控制並完全改變人類對夜空的體驗，不僅是人類，而且地球上的每一個有機體……這似乎都是大錯特錯的。」儘管天文學家表達了擔憂，SpaceX也向社會做出了承諾，但無拘無束的冒犯性衛星發射。SpaceX現在是世界上最大的衛星運營商，除非他們很快開始做出重大改變，否則天文學本身將永遠變糟。