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SpaceX 的星链(Starlink)计划会对天文学观测产生什么影响?

图片:John Kraus / CC0

果壳

在地球上仰望星空的自由,快被星链“锁死”了!

SpaceX在美国卡纳维拉尔角进行了2020年的全球首次航天发射。一枚“4手”猎鹰9号火箭,将60颗星链卫星送上了近地轨道。

2020年首次航天发射, 60颗星链卫星被送上太空 | John Kraus

这不是SpaceX第一次用一箭60星的方式发射星链卫星了。去年5月,他们就发射了第一批60颗星链,11月又发射了第二批。

接下来,每隔大概2-3个星期,SpaceX都会发射新一批60颗星链卫星

60颗星链卫星叠在一起,准备装进火箭整流罩 | SpaceX

按照SpaceX的说法,之所以要发射这么多颗卫星,是要给地球上的每一个角落提供高速互联网接入服务,不留任何死角。

然而,自打首批星链卫星上天,那60个亮点排成一排,在世界各地的夜空中鱼贯而过时起,天文学家就一直在发出警告——如果没有人阻止的话,这些卫星将彻底改变我们这颗地球上的夜空。

比天上的星星还要多

天文学可能是这个世界上最古老的学科。早在工业、农业甚至文字出现之前,人类就开始仰望夜空,从繁星中汲取灵感。

上世纪50年代,人类进入了太空时代。不过,直到2019年,地球周边仍在运转的人造卫星也只有大约2000颗,其中大多数都又小又暗。

而现在,为了在太空中打造覆盖全球的5G网络,多家潜在的运营商宣布,计划部署由成千上万颗卫星构成的庞大卫星星座。

SpaceX的星链计划,只是其中之一。

数以千计的人造物体占据着中低轨道,绝大多数是太空垃圾 | NASA

单就星链计划而言,SpaceX已经得到美国联邦通信委员会(FCC)的许可,获准发射大约12000颗卫星。计划的第一阶段将发射总共1584颗这样的卫星。

这个小目标,SpaceX希望能在今年年底前完成。

光是这第一阶段,星链卫星的数目就将超过目前地球中低轨道上人造卫星的总数(1463颗,如果不算昨天发射的那60颗星链的话)。

在地球上,肉眼可见的恒星全加起来大概有6000颗。借助市面上常见的普通双筒望远镜,你大概可以看到总共约10万颗恒星。

而星链计划的12000颗,加上后来又申请增加的30000颗,再算上其他竞争者的类似项目,比如一网卫星星座和亚马逊公司的柯伊伯计划,到2030年,在地球上用双筒望远镜仰望夜空时,你看到的人造卫星很可能会比天上的星星还要多

用脚趾头想都知道,这会给地面上的天文学观测带来多么严重的负面影响。

这样的星空,地球上还能再看多久?| Steed / 夜空中国

就算只考虑星链计划的12000颗卫星,等它们全都部署就位之后,在地球上的任意地点和任意时刻,天空中都会有140颗这样的卫星。

在它们的最终轨道上,这些卫星的亮度大概接近人类肉眼可见的极限,但对于地面上的光学和射电天文学家,以及一些专业的天文摄影师来说,这些卫星会是一场灾难。

天文学家的天真

SpaceX创始人伊隆‧马斯克一开始声称,这些卫星对天文观测影响很小,后来又说会优先考虑减少这些卫星的反光率,并承诺会应天文观测的需要调整卫星朝向以降低亮度。

接下来的事实表明,这些承诺不过是空头支票

2019年11月18日,星链卫星从托洛洛山美洲际天文台4米望远镜的视场中经过 | CLIFF JOHNSON / CTIO / DECAM

仅仅120颗星链卫星上天,就已经极大地影响了天文观测。多个地面天文台的观测项目遭受到过境星链卫星的“闪亮轰炸”。这些卫星仍像往常一样明亮,并没有为了照顾天文学家的观测而调整姿态。

去年9月,欧洲空间局的一颗地球观测卫星为了避让一颗星链卫星,更是进行了紧急变轨。尽管于情于理,都应该是星链卫星主动避让才对。

2019年11月22日,意大利法拉天文台观测麒麟座α流星雨,被星链卫星抢镜 | 法拉天文台

为此,有天文学家提出一系列建议,希望SpaceX能够自愿采纳,对星链计划作出自我改进。

这些建议包括:

  1. 当前批次的星链卫星脱离轨道暂停新的发射,直到对卫星作出适当修改;
  2. 重新设计或包裹卫星,大幅降低反光率
  3. 向世界各地的天文台提供卫星实时轨迹信息;
  4. 资助软硬件解决方案,协助天文学家减轻余下的避无可避的污染。

本文的开头,可以算是伊隆‧马斯克对此作出的回应。

已经升空的120颗星链卫星非但没有脱离轨道,SpaceX还在昨天又发射了新一批次的60颗星链卫星,并计划在2020年内,将第一阶段的1584颗卫星全都送上太空

当然,改进也不是没有。

升空的60颗星链卫星,其中就有一颗卫星,在它的其中一面上,覆盖了某种试验性的涂层。至于减少反光的效果,SpaceX表示,要试过才会知道。

这跟天文学家的预期,简直相差得太远。

何不打包去太空?

SpaceX的伊隆‧马斯克,号称现实版钢铁侠 | HBO

伊隆‧马斯克的一些拥趸们倒是“劝”天文学家稍安勿躁。

用他们的话来说,这位现实世界的“钢铁侠”,连跑车都能送去火星轨道,到时候把所有天文台都打包送去太空,岂不痛快!

确实,对于天文观测而言,太空相比于地面,好处是巨大的。

首先,太空里没有白天,也不存在任何光污染。只要不把望远镜指向太阳,太空里永远都是黑夜。

在太空,你也不必须担心阴天下雨,也不用忍受大气湍流。而在地球上,基本上你相当于是在一个巨型游泳池底部仰望宇宙,而游泳池里还灌满了动荡不安的空气。

还有,地球的大气层对于电磁波的许多频段来说,并不是透明的。而在太空里,你大可以想看哪段就看哪段。只要离开地球的束缚,你望向宇宙的视线将不受任何阻碍。

地球的大气层对于电磁波的许多频段来说,并不是透明的 | NASA

既然如此,那为什么不干脆把天文台全都搬到太空里去呢?

主要的原因,当然是没钱。

一拖再拖的韦布空间望远镜,立项至今已有24载,耗费了近百亿美元,却仍躺在地面未能发射升空。这还只是一台望远镜而已,真把所有天文台搬去太空,谈何容易!

2019年,韦布望远镜在地面首次组装完成,预计2021年升空 | NASA

更何况,在太空进行天文观测虽然有着巨大的优势,地面天文观测也仍然不可或缺。

脚踏实地的安稳

相比太空望远镜,地面天文台在好几个方面,始终保持着遥遥领先。

1. 一寸大,一寸强

简单来说,在地面上你可以建造更大的望远镜,远比你能在太空中组装的望远镜更大。

有人说,只要钱够多,就能够建造想要多大就有多大的望远镜,然后把它发射到太空里去。可惜,这个说法并不正确。想把望远镜送上太空,你得先把它塞进火箭才行

迄今为止,发射到太空的最大主反射镜,是欧洲空间局的赫歇尔望远镜,口径3.5米。前面提到的韦布空间望远镜更大,口径达到6.5米,那是因为它有独特的折叠设计。也正是因为这一设计,让它承受了很大的风险,以至于一拖再拖至今未能升空。

即使如此,韦布望远镜6.5米的口径,也无法跟地面上的大型光学望远镜相提并论。哪怕是曾经提出过的最大空间望远镜——同样采用可折叠设计、口径达到15.1米的LUVOIR望远镜,与地面上25米口径的巨型麦哲伦望远镜(GMT)、30米口径的三十米望远镜(TMT),以及39米口径的欧洲极大望远镜( E-ELT)相比,仍然相形见绌。

在天文学上,尺寸决定了分辨能力和聚光能力。随着自适应光学技术的加入,在某些指标上,太空望远镜和地面相比,完全没有竞争能力。

欧洲极大望远镜效果图 | ESO / L. CALÇADA

2. 在地面,风险小

在地面上建造新望远镜,你不会遇到发射失败的风险,可进入太空却是一锤子买卖。

如果火箭在发射时爆炸,无论你的天文台有多昂贵或者多复杂,都将片甲不存。你永远不会看到NASA的OCO卫星发回来的观测数据,这颗设计用来在太空监测地球大气中二氧化碳流动状况的轨道观测站,在发射过程中未能与火箭分离,升空后17分钟就坠入了海洋。

任务越大,失败的代价也越大。2018年1月,在连续82次成功发射之后,阿丽亚娜5号火箭遭遇了一次部分失利。这让天文学家惊出一身冷汗,因为韦布空间望远镜也将用同款火箭发射升空。如果到时候出现同样的状况,韦布望远镜可就没有然后了。

对于太空任务而言,每次你只有一次成功的机会,而百分之百的可靠永远不可能实现。

2014年,美国安塔瑞斯火箭发射时爆炸,进入太空做不到百分百可靠 | NASA / JOEL KOWSKY

3 .时间地点我作主

一旦进入太空,你的位置可就身不由己,基本上交给引力和运动定律来决定了。

尽管有大量的天文奇观,随便你在哪里都可以观测,但也有少数天象,其中不乏特别壮观和特别有价值的一些,需要你在特定时间段内,处在特定的空间位置上,才有机会进行观测

日全食当然是其中的一种,我一直说它是地球上我们有机会亲历的最壮观天象,没有之一。此外,其他各种类似的掩食现象,比如小行星遮挡了恒星,月亮遮挡了类星体等等,也能给我们提供难得的观测机会。

去年元旦,新视野号完成了人类历史上最遥远的飞掠探测,对当时昵称为“天涯海角”的柯伊伯带小天体进行了近距离观测。要不是在那之前,天文学家在地面上进行了多次“天涯海角”掩星观测,提前掌握了它可能的基本情况,这次飞掠也不会安排得如此顺利。

如果把所有望远镜都搬到太空,这么有科学价值的掩星观测将无法进行。因为在太空里,我们不可能像在地面上一样,精确掌控自身的位置和运动。

通过地面上的一系列掩星观测,新视野号团队提前了解了“天涯海角”的大致形状 | 新视野号团队

4. 方便维护

地面上有大量的基础设施,这是太空里永远都比不了的。

如果某个部件故障或者磨损,在太空的话,就只能利用现有的东西凑合一下了。要不然,就得耗费大量资源,组织太空任务去加以维护。

哈勃空间望远镜就是这样一个特例。升空后才人们才发现它的主镜存在缺陷。好在它运行在近地轨道,而当时也还有航天飞机,人类可以通过后续任务修复哈勃。而在航天飞机退役之后,人类也失去了继续维护哈勃的能力。

其他太空望远镜可就没这么幸运了。冷却液用完了?扛着。 陀螺仪坏了?忍着。光学组件老化?将就着用。一直到实在撑不下去 ,不得不终结使命为止,比如2018年退役的开普勒望远镜,以及本月底即将光荣的斯皮策望远镜。

而在地面上,有故障的设备可以随时更换,冷却液想加多少就可以加多少。有必要的话,新的零件甚至新的人员都可以随时就位。

哈勃望远镜升空服役了30年,虽然耗费巨资几经维护,如今也已经垂垂老矣。而地面上的望远镜,只要维护得当,轻轻松松都可以使用50年以上。

经过维护的哈勃望远镜时隔20年拍摄的同一片星云,大多数太空望远镜可没有这么幸运 | NASA/ESA/HUBBLE

5. 升级换代

太空望远镜发射上天的时候,望远镜上的设备其实就已经过时了。

要设计和建造一台太空望远镜,首先得确定它的科学目标,再根据目标决定望远镜上需要哪些设备。再然后,还得花时间来设计这些设备,制造零件,组装起来,再加以整合,进行测试,通过之后才能塞进火箭,发射上天。

这意味着,当太空望远镜终于开始第一次采集数据的时候,距离它最早被提出和建造,已经过去很多很多年了。

如果天文台建在地面上,情况就完全不同了。只需要淘汰掉老旧的设备,替换上更新的设备,老望远镜也可以焕然一新,重新成为世界顶尖的望远镜。只要这座地面天文台还在运转,这样的升级改造之路就可以一直持续下去。

2016年,韦布望远镜上的科学设备安装就位,要等到2021年升空之后才会首次使用 | NASA / CHRIS GUNN

仰望星空的自由

毫无疑问,进入太空为人类提供了一个望向宇宙的新窗口。随着我们逐渐转向下一代的空间天文台,我们将有能力解答当今天文学家对于宇宙本质的诸多疑问。

然而,也有一些科学任务更适合于地面,比如搜寻可能威胁地球的近地小天体,再比如拍摄遥远黑洞的真实影像。

只要我们能够保持夜空的黑暗,保持天空不被遮蔽,那么在21世纪接下来的几十年里,地面天文学必将进入一个黄金时代。

但是,如果我们继续对天空漠不关心,再加上一些人不计后果的鲁莽行事,可能在我们还没有意识到之前,地球上的夜空就将被彻底改变。

随之一起消失的,还有人类在地面仰望星空的自由。

救救星空!

 

作者:Ethan Siegel / Starts With A Bang

编译:Steed

编译来源:Forbes

 

一个AI

人类自己就能把自己锁死了,谁还需要智子呀?

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