闖入夜空的“星鏈”
2020年04月28日08:48
星鏈衛星在地球上空運行的藝術示意圖。來源:SpaceX
星鏈衛星在地球上空運行的藝術示意圖。來源:SpaceX

  來源:天文愛好者雜誌

  2019年,SpaceX公司通過一箭60星的方式將首批大規模部署的星鏈(Starlink)衛星送入太空。此後幾天的時間中,天文愛好者發現這些衛星像一列火車一樣經過世界各地上空,甚至闖進天文望遠鏡的視場,導致照片完全被衛星軌跡覆蓋。國際天文學聯合會(IAU)和美國國家射電天文台(NRAO)為此均發表聲明表示擔憂。截至2020年1月8日,SpaceX又把共計120顆相似的衛星送入軌道,而且今後還將陸續有更多的星鏈衛星上天。

  來者何人?

  其實說起SpaceX大家都相當熟悉。這傢俬企幾乎以一己之力撼動了全球航天市場,憑藉性價比超高的獵鷹火箭拿下眾多訂單。短短幾年前,航天飛機的教訓還曆曆在目,人們自然而然地認為火箭的回收是一條死胡同,即使能成功回收也會損失大部分運力,並需要大量投入進行檢修和翻新。但是通過快速的技術迭代,獵鷹火箭已經日趨成熟,火箭回收已經變成司空見慣的事,而回收狀態下獵鷹依然能提供很可觀的運力。SpaceX的老闆伊隆·馬斯克還有一個更加雄心勃勃的計劃。他要更進一步,計劃建造巨型火箭,可以將人類送往火星。這款直徑9米、重量超過土星五號的火箭全部採用液氧甲烷為燃料,計劃通過在火星上就地取材製造燃料,從而使飛船(“星艦”)能再次飛回地球。當然更讓人驚奇的還是“星艦”的試驗機——露天手工搭建,不鏽鋼的外殼甚至有明顯的凹凸痕跡,神似穀倉。果不其然,其中一個原型機在加壓測試時發生了爆炸。

圖1  2019年 11月準備發射前的60顆星鏈衛星。來源:SpaceX
圖1 2019年 11月準備發射前的60顆星鏈衛星。來源:SpaceX

  而這次的主角——星鏈計劃,就是馬斯克提出的另一個“瘋狂”的想法。利用自家性價比超高的運載火箭,幾年內往近地軌道發射42000顆衛星——沒錯,這個數目將是人類所有發射過衛星數目的5倍左右。

  根據計劃,“星鏈”是一個互聯網衛星通信系統,計劃通過大量低軌衛星實現對全球的完整覆蓋,形成一個高通量、低時延的互聯網通信網絡。衛星網絡提供的通信服務可謂誘人,建成之後,從偏遠山區的個人用戶到大城市中的企業用戶,都可以享受到無死角通信覆蓋產生的便利。並且衛星網絡也有可能替代地面的骨幹網,光纖跨越千山萬水,而使用衛星卻只需要短短幾次中繼。

  與鋪天蓋地的布網計劃相對應的是星鏈衛星通過種種手段來削減成本。在發射時,板狀的衛星緊密堆疊在一起,不需要單獨的分離裝置,而是像撒撲克牌一樣一次性全部釋放,甚至衛星之間互相碰撞也不在乎。一枚獵鷹9號運載火箭可以發射62顆衛星進入軌道,同時可以實現火箭一級的回收。在未來的計劃中,獵鷹重型火箭可以發射更多衛星進入太空。

圖2  在組網第一階段的大約1600顆衛星將在550km高度處環繞地球運行。之後,2700多顆衛星會進入1100~1325km的較高軌道,完成全球組網。第二階段的七千多顆衛星將進入更低的300km高度。來源:starlink
圖2 在組網第一階段的大約1600顆衛星將在550km高度處環繞地球運行。之後,2700多顆衛星會進入1100~1325km的較高軌道,完成全球組網。第二階段的七千多顆衛星將進入更低的300km高度。來源:starlink

  每個星鏈衛星重227千克,由板狀的衛星本體和一面可摺疊的太陽能板組成。每顆衛星上搭載了4面相控陣天線用來進行網絡服務,地面的用戶可以接收到仰角>45°的衛星的信號,預計2020年衛星將能開始搭載激光通信系統進行星間通信。衛星通過霍爾效應推進器進行變軌和軌道保持,燃料為氪。為了避免與其他衛星的相互碰撞,衛星使用了美國國防部提供的數據進行空間碎片的自動規避。衛星的在軌壽命為1~5年。

  在2019年5月,第一批發射的60顆衛星進入550km的近地軌道,在2019年11月進行了第二次發射,在2020年1月進行了第三次發射。據計劃,之後的每隔不到一個月都會發射一批星鏈衛星(60顆)。在組網的第一階段(Phase1),約1600顆衛星將在550km環繞地球運行。之後,2700多顆衛星會進入1100~1325km的較高的軌道,完成全球組網。“星鏈”計劃的第二階段(Phase2)會發射七千多顆衛星進入更低的300km高度,增加整個網絡的帶寬。

  兩個階段的軌道面參數可見表1。其中第一階段的衛星將按照不同的軌道面運行,而第二階段低軌道衛星將對單個衛星進行單獨控製。

表1 這是星鏈衛星組網兩個階段的軌道面參數,來自SpaceX向FCC申請頻率資源提交的文件。其中初步覆蓋(Initial Deployment)部分的計劃已經改為550km,72個軌道面, 每個軌道面22顆衛星。第一批發射的星鏈衛星就是屬於這一殼層。來源:SpaceX/FCC
表1 這是星鏈衛星組網兩個階段的軌道面參數,來自SpaceX向FCC申請頻率資源提交的文件。其中初步覆蓋(Initial Deployment)部分的計劃已經改為550km,72個軌道面, 每個軌道面22顆衛星。第一批發射的星鏈衛星就是屬於這一殼層。來源:SpaceX/FCC

  根據美國聯邦通信委員會(FCC)對於頻段的審批,SpaceX需要在2024年完成一半的發射工作,在2027年完成所有衛星的發射工作。也就是說,短短7年時間,SpaceX就要發射12000多顆衛星。

  就在2019年10月份,SpaceX提交了新一批衛星的頻率申請,計劃再增加30000顆衛星,使得總衛星數達到42000顆,是人類發射過的所有衛星數量的約5倍。這三萬顆衛星將運行在328~580千米之間。

  “新”的星空

  清晨和傍晚的時候我們經常可以看到人造衛星劃過天空。這些人造衛星經常出現在天文愛好者的深空照片中,而去除這些人造衛星的軌跡也是後期處理過程中幾乎不可避免的一個步驟。星鏈衛星也不例外。單個衛星的亮度其實也並不出眾,但問題是——數量實在是太多了。

圖3 2019年5月25日晚上,在美國亞利桑那州洛厄爾天文台用望遠鏡拍攝得到的NGC 5353和NGC 5354星系群的圖像。貫穿圖像對角線方向的就是星鏈衛星穿過望遠鏡視場時留下的痕跡。來源:Victoria Girgis/Lowell Observatory
圖3 2019年5月25日晚上,在美國亞利桑那州洛厄爾天文台用望遠鏡拍攝得到的NGC 5353和NGC 5354星系群的圖像。貫穿圖像對角線方向的就是星鏈衛星穿過望遠鏡視場時留下的痕跡。來源:Victoria Girgis/Lowell Observatory

  星鏈衛星發射後的前幾天,60顆衛星運行在相似的軌道上。因此在地面可以看到大量衛星排成一列從天空中經過的現象。肉眼看上去這些衛星的亮度在3等或更暗,不同衛星的亮度不同,衛星的亮度與姿態有關。由於這些衛星軌道相似,它們會依次經過同一片天區。出現在望遠鏡視場時,產生的後果是破壞性的,如圖3所示。

圖4  愛好者用自己的單反拍攝到的衛星閃光(視頻截圖)。來源:https://www.youtube.com/watch?v=cycLZQtM8HU
圖4 愛好者用自己的單反拍攝到的衛星閃光(視頻截圖)。來源:https://www.youtube.com/watch?v=cycLZQtM8HU

  更有甚者,有的愛好者拍到這些衛星甚至有“閃光”的現象。在一段上傳至網上的視頻中,這個愛好者用自己的單反拍攝到了一長串衛星依次發生閃光(圖4),亮度超過了織女星(圖5)。

圖5 畫面中最亮星為織女星(視頻截圖)。來源:https:// www.youtube.com/watch?v=cycLZQtM8HU
圖5 畫面中最亮星為織女星(視頻截圖)。來源:https:// www.youtube.com/watch?v=cycLZQtM8HU

  這可一下子讓天文圈炸了鍋。如果以後的天空中全都是這樣的衛星,那天文學家和天文愛好者就根本沒法觀測了,衛星的軌跡全都把遙遠的天體蓋住了。IAU發表聲明表示這樣的巨型衛星網絡會對天文觀測產生嚴重的影響。針對天文學家們的質疑,SpaceX方面起初表示“衛星非常小,不會有什麼影響”,但反對聲音漸大後,改口表示“會採取方式降低後續衛星的亮度”。在2019年11月的發射中,就包括一顆被塗黑的衛星,作為嚐試降低衛星亮度的手段。但塗黑會對衛星的性能造成不利影響,因為衛星會在太陽光中吸收大量的熱量。

  另外,星鏈衛星工作在Ku和Ka頻段,在這些波段(12~18GHz,26.5~40GHz)的射電天文觀測可能也會受到影響。由於衛星的工作波段包含一條重要的水蒸氣譜線,大量的衛星通信也可能會幹擾氣象衛星對水蒸氣的觀測,導致天氣預報的準確度降低。

  闖入者的蹤跡

  那麼,這些衛星會以何種密度出現在我們的夜空中、又會怎樣影響我們的天文觀測呢?筆者做了一個簡單的計算:以12000顆衛星作為研究對象,根據公開數據中的軌道分佈,計算地面的觀測者在天空中看到的衛星數目。

  結果表明,在中緯度地區,任意時刻居然有100顆以上的衛星位於20°仰角以上的天空。在北緯45度左右,這個數目達到了160多顆。

圖6  以12000顆衛星作為研究對象,筆者根據公開數據中的軌道分佈,計算地面不同緯度的觀測者在天空中看到的衛星數目分佈,藍色、紅色、黃色分別代表初始覆蓋、最終覆蓋和第二階段的低軌衛星。
圖6 以12000顆衛星作為研究對象,筆者根據公開數據中的軌道分佈,計算地面不同緯度的觀測者在天空中看到的衛星數目分佈,藍色、紅色、黃色分別代表初始覆蓋、最終覆蓋和第二階段的低軌衛星。

  圖6中藍色為第一批發射的550km軌道衛星,紅色為1000km以上軌道的衛星,黃色為第二階段的低軌衛星。可以看出,軌道傾角較低的衛星(藍色和黃色)在高緯度不可見,同時緯度35°到55°上空的衛星密度是最高的,隨時可以保持120顆以上,最多為160多顆。

  一天中上空的衛星數基本保持穩定,但被太陽照亮的衛星數與太陽位置有關。例如在北緯40°的春秋分前後,日落後一小時以內,頭頂的150顆衛星全都在反射太陽光,而隨著太陽高度逐漸降低,發光的衛星逐漸減少,在天文昏影終時發光的衛星僅剩一半左右。在半夜前後只有4小時左右上空基本沒有發光的衛星,也就是說在這段時間內進行天文觀測可以認為是“安全的”。

圖7  北緯40度附近的春秋季節里,同一位置天空中全部星鏈衛星和發光的星鏈衛星隨時間的變化。
圖7 北緯40度附近的春秋季節里,同一位置天空中全部星鏈衛星和發光的星鏈衛星隨時間的變化。

  對於北緯40°,冬至時天空中沒有發光衛星的時間較長,而夏至時整夜天空中都有發光衛星。對於赤道附近的低緯度地區情況比中緯度略好,並且年度變化不明顯。對於南北極地區,衛星的影響也是存在的。如南極崑崙站,當地極夜開始時會有幾十顆衛星都是整夜可見的,而當地冬至時可見衛星也相當多。

  尾聲

  當星鏈衛星在軌道上分散開之後,對於天空的“汙染”是顯而易見的。我們的天空並沒有被完全奪去,但是光學天文觀測會被逼到牆角,可用的觀測時間會大大縮短。很多望遠鏡單張曝光可能會長達15分鍾,而這期間有很大可能會有一顆衛星闖入照片,使得整個照片功虧一簣。這些軌跡確實可以通過算法去除,但是這些步驟會不可避免地在圖片中留下不可見的瑕疵,使得數據變得不再可靠。

圖8  藝術家繪製的星鏈衛星分佈示意圖。來源:SpaceX
圖8 藝術家繪製的星鏈衛星分佈示意圖。來源:SpaceX

  隨著星鏈衛星的發射,這些“衛星火車”過境也成了一個熱門的天文現象,堪比逐漸消失的“銥星閃光”現象。但是銥星系統只有幾十顆衛星,同一地點觀測到銥星閃光的頻率也只有一天一次左右。如果銥星閃光頻率增加幾百倍,恐怕人們對它的看法就會非常不一樣。

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