衛星公司不添亂的話，魯賓天文臺可能徹底改變天文學格局

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編譯：王茸

校對：王婧彧

審閱：繆征一

美編：張榮娜

后臺：李子琦

https://www.space.com/space-exploration/satellites/the-rubin-observatory-will-change-the-game-for-astronomy-if-satellite-companies-dont-get-in-the-way

在這張美國國家科學基金會-美國能源部(NSF-DOE)建造的薇拉·魯賓天文臺(Vera C. Rubin Observatory)的長曝光照片中，衛星劃過天際。

圖源：NSF–DOE Vera C. Rubin Observatory/NOIRLab/SLAC/AURA/W. O'Mullane

2025年6月，我們迎來了一組非凡的太空影像，有位科學家甚至稱其配得上“天文電影藝術“的稱號。這些影像確實令人難以置信——布滿如電視雪花般的斑點，代表著數百萬個星系；印著宛如水彩畫布的星云；更蘊藏著關于可觀測宇宙中最遙遠“宇宙懸崖”的數據。

這些是薇拉·魯賓天文臺拍攝的首批天體圖像。薇拉·魯賓天文臺可以稱得上是人類歷史上神奇的新宇宙守望者，配備了全球最大的數碼相機和視野極其廣闊的望遠鏡。天文臺坐落于智利帕喬恩山之巔，能夠以空前效率反復對夜空完整成像。這座天文臺有望憑借其望遠鏡徹底革新天文學，揭示宇宙中那些我們尚未發現卻終將領悟的奧秘。

“在我們計劃十年運營的首年，實際產生的數據量就將超過整個光學天文學領域迄今積累的總量，這簡直令人難以置信。” 參與該天文臺工作的天文學家梅雷迪思·羅爾斯(Meredith Rawls)在1月的美國天文學會會議(American Astronomical Society meeting)上這樣說。

這一切聽起來像一場美夢，但警鐘或許也即將敲響。一架接近現代技術極限的地面望遠鏡，不得不面對另一種在太空發生的科學進步：地球軌道上衛星數量的指數級增長。

截至本文撰寫之時，約有14,000顆衛星環繞地球運行——其中近10,000顆屬于SpaceX公司——隨著商業利益持續增長，這一數字也將激增。例如藍色起源和歐洲通信衛星公司的OneWeb正效仿SpaceX模式，多家中國企業亦然，而小型初創公司也在籌備自己的項目。SpaceX近期甚至提出在地球軌道建立數據中心的構想，這意味著需要再發射約百萬顆衛星進入太空。

因此，珍貴的魯賓天文臺圖像可能會受到商業衛星干擾的影響，天文學家稱之為“拖痕”。

魯賓圖像的注釋版展示了該天文臺首張圖像中捕捉到的1000萬個星系中的部分星系。

圖源：RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA

為何衛星拖痕是個大問題

你或許曾聽過這個問題，因為衛星干擾天文成像的現象已有大量文獻記載。即便在這張來自雙子北座望遠鏡(Gemini North Telescope)的相對不那么重要的圖像中，也能清晰看到一條拖曳痕跡。關于為何我們需要警惕地球軌道上日益增多的巨型衛星星座，已有相當數量的研究對此提出警示。

特拉華大學(University of Delaware)科學家費德里卡·比安科(Federica Bianco)在會議上表示：“天文攝影是提升公眾對自然世界認知度和激發其探索興趣的寶貴教育工具。夜空環境往往具有重要文化意義，暗夜觀星旅游已被公認為是推動偏遠鄉村社區可持續發展的關鍵因素。”

就在本月，西北大學（Northwestern University）的醫生和科學家們宣布，他們擔心地球軌道上的衛星會擾亂我們的睡眠模式。

“它們改變了夜空，” 羅爾斯(Rawls)說道，“看來，望遠鏡并非唯一仰望星空的存在。”

盡管衛星對天文觀測的干擾早有存在，但魯賓天文臺的觀測圖像，讓這種干擾的實際后果變得更為直觀。

“正是那些讓魯賓展現卓越的特性，也使其面臨風險，” 羅爾斯(Rawls)表示。“它擁有廣闊的視野、極其靈敏的相機，每隔三天就能掃描整個南天——這意味著它將觀測到大量人造衛星。”

“如果你只想要一張漂亮的照片，那沒問題——你可以用Photoshop把拖痕修掉，” 她說，“但要從中提取科學數據就麻煩多了，因為引入了系統性誤差，而這種誤差實際上非常、非常難以校正。”

問題的深刻性

今年在鳳凰城舉行的美國天文學會會議上，魯賓實驗室的科學家團隊探討了衛星軌跡對望遠鏡觀測成果的多種潛在影響。他們的目標就是在問題失控前找到解決方案。

會議室里擠滿了人，足見這個話題的緊迫性。

其中一項努力，或許是最顯而易見的一項，就是科學家與衛星運營商及制造商合作，協助他們研發能夠減輕干擾的航天器。

例如，國際天文學聯合會（IAU）建議將人造衛星的亮度控制在7等或更低。若你不熟悉這個已有數百年歷史的星等系統：數值越小表示亮度越高。因此0等亮度是5等的100倍，滿月亮度約為-12.6等，而太陽亮度則在-27等左右。

“超過這個衛星亮度7級閾值意味著衛星極可能導致像素飽和，使得無法獲取衛星正下方的數據，” 國際天文學聯合會保護暗夜與靜謐天空免受衛星星座干擾中心的成員杰里米·特雷格洛安-里德(Jeremy Tregloan-Reed)表示。

羅爾斯(Rawls)指出，當衛星亮度達到4至5級時，便會造成顯著干擾，尤其當圖像中存在多顆亮度相近的航天器時。“此時會產生串擾效應，” 她解釋道，“相當于在主光跡旁出現多條平行副光跡。”

這張圖像捕捉到一顆繞地球運行的人造衛星在穿越哈勃望遠鏡視野時留下的軌跡，當時望遠鏡正在觀測“雙鼠星系”（NGC 4676）中的相互作用星系。專家表示這種干擾尚在可控范圍內，但魯賓望遠鏡的數據可能就沒有這么幸運了。

圖源：NASA, ESA, STScI

加州大學戴維斯分校(University of California, Davis)的安東尼·泰森(Anthony Tyson)指出：“魯賓任務的真正目標，是發現真正新穎的事物，是那些足以震撼我們認知的新發現，而非那些早已為人所知數十年的事物。這意味著要發現全新類別的天體、全新的宇宙現象。而要在如此龐大的系統性誤差中尋覓意外之喜，如同在干草堆里找針，難度倍增。”

衛星公司的責任

羅爾斯(Rawls)提出：“我們或許能協調部分運行狀態最佳的衛星，讓它們重新調整硬件方向。用衛星術語來說就是改變姿態，這樣它們就不會在魯賓望遠鏡夜間觀測區域產生強烈反光。”

在這方面已取得些許進展，但歷史上也存在一些矛盾。例如，并非所有公司都遵守亮度標準。最值得注意的就是由得克薩斯州AST SpaceMobile公司運營的BlueWalker 3衛星亮度超過推薦的7等星標準400倍以上。

BlueWalker 3號衛星劃過亞利桑那州基特峰國家天文臺上空。

圖源：KPNO/NOIRLab/IAU/SKAO/NSF/AURA/R. Sparks

最近，美國國家科學基金會NOIRLab的康妮·沃克(Connie Walker)表示，魯賓團隊已與約16家不同的衛星公司取得聯系。“有些公司比其他公司更愿意與我們溝通，” 不過她也提到，剛在會議上與Reflect Orbital公司進行了交流，對方似乎態度很積極。

這是一個極好的征兆，畢竟Reflect Orbital公司的終極目標是在2035年前將超過5萬顆衛星送入地球軌道。為何如此？其目的是在地球周圍部署反射鏡，將陽光折射至地面，進而作為服務出售，按需為地球不同區域提供照明。“這對天文學而言將構成挑戰，” 沃克(Walker)表示。

“衛星運營商必須公開分享其位置信息，最好還能透露其姿態狀態，這樣我們才能預判何時會對我們造成影響”，羅爾斯(Rawls)表示。

沃克(Walker)還解釋說，SpaceX已允許團隊使用該公司制造衛星星座的材料測試衛星反射率。“他們給我們提供舊衛星，我們可以據此進行建模。”

但歸根結底，盡管衛星公司有時愿意溝通，“他們并未全力推進此事，” 沃克(Walker)表示。“作為企業，他們的首要任務是經營，但在力所能及的范圍內，他們會提供幫助。”

在托洛洛山美洲際天文臺（CTIO）的維克多·M·布蘭科4米望遠鏡上使用DECam設備觀測時，天文學家克拉拉·馬丁內斯-瓦茲奎茲(Clara Martínez-Vázquez)和克利夫·約翰遜(Cliff Johnson)發現了一個有趣現象。他們拍攝的一張333秒曝光圖像中，出現了至少19道光痕。兩人迅速推測這些光痕是由一批Starlink衛星造成的。

圖源：CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/DECam DELVE Survey

諷刺的是，科學家似乎能通過提供那些不適合天文觀測的衛星拖痕圖像來幫助衛星運營商。“我們已向包括SpaceX和Planet Labs在內的十多家公司提供數據，” 沃克(Walker)表示。

羅爾斯(Rawls)表示：“我認為這是我們能提供的一項不錯的附加服務，因為我們最終并未對任何像素進行編輯。”

也許責任落在了科學家身上

這便引出了第二種方案：設法優化魯賓望遠鏡的數據分析，確保衛星軌跡不會妨礙其揭示的驚人數據量。而根據會議發言科學家的說法，這些干擾因素可能相當顯著。

考慮衛星如何反射陽光，同時又以極快的速度繞著我們的星球旋轉。

“它們繞行速度極快，在近地軌道上每90分鐘完成一次公轉，因此會形成明亮的軌跡。有時是斷續的線條，有時忽隱忽現，有時異常明亮，有時纖細如絲，有時又極其短促，” 羅爾斯(Rawls)解釋道。“實際上，隨著高度增加，軌跡本身必須變暗才能使魯賓相機的曝光效果保持一致。這看似違反直覺，畢竟距離越遠物體本應越暗，但軌道物體在更高處運行速度減緩，因此軌跡會持續更久。”

為說明這種現象的潛在負面影響，魯賓天文臺太陽系科學合作項目近地天體與星際天體工作組負責人莎拉·格林斯特里特(Sarah Greenstreet)解釋了在衛星汪洋中，魯賓天文臺開展的太陽系科學研究可能面臨的困境。

該天文臺預計將在為期十年的觀測任務結束前發現五百萬個太陽系新天體。它還將開展一項名為“近日黃昏近地天體微觀測“的項目，專門觀測那些距離太陽極近的天體。

魯賓望遠鏡發現的新小行星群及其首批數據包。

圖源：RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA

“我們可能面臨數百個移動物體的檢測任務，隨后需要采集大量圖像。因此必須能夠識別出在每張圖像中，數百個物體間的各個點如何連接、各自朝哪個方向移動，” 格林斯特里特(Greenstreet)在會議上指著這張可視化圖像解釋道。“如果將人造衛星納入這幅畫面，就會出現大量其他移動物體。”

正如格林斯特里特(Greenstreet)所解釋的，為了以高置信度探測移動物體，魯賓望遠鏡需要在15天內的四個夜晚拍攝四組圖像。但如果這八張圖像中哪怕有一張被衛星拖曳痕跡污染了呢？

“我們未能發現那個移動的物體，” 她說。

她還指出一項2022年的研究，該研究模擬了4萬顆圍繞地球運行的、亮度低于7等的衛星（再次強調，這是推薦的亮度水平）將對魯賓望遠鏡的任務，即時空遺產巡天計劃（LSST）將產生何種影響。

結論是，在LSST的主要觀測區域中，10%至30%的區域會出現衛星拖痕。若將衛星軌道高度降低，則高達50%的曝光圖像可能出現拖痕。

研究作者還發現，在黃昏時段，在此類條件下拍攝的每張曝光照片中都可能出現至少一條拖痕。預計約15%本應被魯賓望遠鏡發現的近地天體可能因衛星干擾而漏檢。“這個比例不算太大，但若能大幅降低我會很欣慰，” 她表示。

她補充說：“當然，需要注意的是，這些數據的前提是衛星亮度低于7等。如果衛星亮度超過這個數值，那么所有數據都會大幅惡化。”

針對羅爾斯(Rawls)關于與衛星運營商合作的觀點，格林斯特里特(Greenstreet)還解釋道：在將魯賓望遠鏡指向特定夜空區域前，若能預先掌握衛星位置——盡管這會犧牲約10%的LSST觀測時間——可將出現拖痕的主觀測區域數量減半。針對黃昏時段的專項觀測同樣存在希望，因為該時段拍攝的圖像更多。這意味著通過備用圖像實現所需四組圖像配對的概率更高。

“我們非常擔心那些在單次曝光中會出現、但在第二次曝光中可能不會顯現的現象，” 比安科(Bianco)說。

“事實上，此前已有研究宣稱在紅移值z=11處發現了[伽馬射線暴]。（注：紅移值衡量光線在抵達望遠鏡途中被拉伸的程度。紅移值11意味著極其古老的光源——該光源在大爆炸后僅約4億年便開始輻射。） 后來證實那只是衛星留下的軌跡。”

這張圖像由薇拉·魯賓天文臺在短短七個多小時的觀測時間內拍攝的678張獨立圖像合成而成。通過這種方式將大量圖像疊加，清晰呈現了原本微弱或不可見的細節，例如構成三裂星云（右上角）和礁湖星云的氣體與塵埃云團——這些天體距離地球數千光年之遙。

圖源：NSF-DOE Vera C. Rubin Observatory

羅爾斯(Rawls)表示，她的團隊正在開發一個數據庫，用于標注在分析魯賓數據時，衛星干擾可能導致的拖痕和閃光的落點位置。

該方案旨在讓科學家在觀測已知存在衛星軌跡區域的天體時保持警惕，“這樣就能更清楚地判斷何時需要謹慎對待發現。比如'哇，我們發現了前所未見的新超新星'。隨后你可能會意識到'噢，它恰好出現在衛星軌跡區……或許這只是衛星反光造成的假象'。” 她解釋道。

“克里斯·斯塔布斯(Chris Stubbs)提出這樣一個構想：沿智利山脊線部署多臺地面小型望遠鏡，通過觀測衛星軌跡移動產生的影響來獲取數據，” 但泰森(Tyson)指出：“我認為讓多臺LSST望遠鏡分別觀測不同角度的做法既不合理，也不具成本效益。”

盡管這場對話未能提出任何超越已討論進展的可行解決方案，如同羅爾斯(Rawls)的工作那樣，但整個會議室都強烈感受到一個清晰的信息，那就是緊迫感。

魯賓天文臺運營部代理主任鮑勃·布盧姆(Bob Blum)表示：“這里現在已成為一座運作中的天文臺。”

“每晚——每分鐘——都彌足珍貴。”

責任編輯：周英杰

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

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這組由14臺不同相機拍攝的圖像合集，記錄了2025年2月22日夜間各類衛星的活動軌跡。每道軌跡均代表一顆衛星劃過天際的運動軌跡。

圖源：U.Western and Defence R&D Canada

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