四萬兩千顆“星鏈”閃耀虛假星光帶來天文學大災難

出品：新浪科技《科學大家》

撰文：

苟利軍中國科學院國家天文臺研究員、中國科學院大學天文學教授

劉孜銘中國科學院國家天文臺碩士研究生

2020年的4月27日晚上，一個新的天象讓一些愛好者興奮不已。在北京地區，一組“星鏈”衛星在當晚8點37分左右從西北方升起，經過月亮，幾分鐘之後然後變暗消失，這就是新近出現的天象——星鏈凌月。

這些星鏈衛星是SpaceX公司“星鏈計劃（Starlink）”所發射的通訊衛星之中的一部分，它們通常會由22個衛星連成一串，在某個特定軌道平面上運行。當它們劃過天空之時，因反射太陽光而發亮，在天空形成一串光點，形爲夜空中的一道壯觀景象，有人比喻它們爲天空中的“三體艦隊”。

按照美國聯邦通訊委員會（FCC）在2019年4月的批示，SpaceX將用10年左右的時間發射12000顆衛星進入近地軌道，10月，SpaceX又宣佈將追加三萬顆“星鏈”五星，儘管馬斯克在最初保證這些衛星幾乎不會被注意到，但它們在全球各地望遠鏡與相機鏡頭中頻繁展露的身影，卻還是不得不讓天文學家們開始產生擔憂和困擾。

SpaceX的“星鏈計劃”究竟是什麼？又會對科學研究和人類生活產生哪些影響？是否有方法來避免或者解決其可能帶來的問題？

全球網絡覆蓋——“星鏈計劃”

“星鏈計劃”是太空服務公司SpaceX在2015年提出的，通過近地軌道衛星羣，提供覆蓋全球的高速互聯網接入服務。作爲“鋼鐵俠”原型的埃隆·馬斯克打算依靠星鏈，將高速寬帶互聯網覆蓋到難以建造地面基站的或者人跡罕至的地區，使得地球上幾乎所有地區的人們都可以使用廉價且穩定的高速寬帶。

由於衛星網絡既沒有地面通訊基站建設所帶來的問題，同時信號在衛星之間傳播的通訊延遲相較於利用光纖在基站間傳播也更低，可以說“星鏈計劃”是完全有實力同“第五代移動通信技術（5G）”一戰的。

按照最早的計劃，SpaceX會將發射大約12000顆星鏈衛星發射到近地軌道，由三層構成的衛星網絡，這三層分別位於距離地面340千米（7500顆）、550千米（1584顆）和1150千米（2825顆）的軌道上。而根據SpaceX在去年10月份提交給FCC的備案，他們準備在此基礎之上，額外再發射3萬顆衛星，最終總數目達到42000顆。

藉助於一級助推器可多次重複使用的高性價比火箭“獵鷹9號”，“星鏈計劃”目前可以成批並且頻繁地發射衛星。按照2019年的計劃，SpaceX在2020年將至少發射9次，可能的話達到24次，也就是差不多每半個月發射一次。然而從目前前4個月的發射狀況來看，它完成了6次成功發射，接下來的五月和六月分別設定了一次發射。

“獵鷹9號”每次發射60顆衛星，所以當然想要頻繁發射，也需要SpaceX有能力在短時間之內生產足夠多的衛星，根據SpaceX在今年3月份的報道，他們的生成基地每天可以生成6個星鏈衛星。足夠滿足獵鷹頻繁的未來發射。在未來，當然SpaceX期望利用還處在開發之中的星艦火箭來發射衛星，到時發射的能力將極大增強，可以一次達到發射衛星400顆。

每一次發射的衛星基本上都能夠按照要求，成功入軌，當然也有一些例外。比如在2009年4月第一次發射的60顆星鏈衛星中，有3顆衛星就失去聯繫了。截止到2020年4月22日，SpaceX已經成功發射8次，包含星鏈衛星422顆，有417顆星鏈衛星處於運行狀態。他們正在北美地區利用這些衛星開展一些私人網絡測試服務，對於更大規模的公衆測試將在2020年11月展開。

圖2：2019年10月，馬斯克發佈推特對星鏈網絡進行了測試，獲得成功。來源：twitter

近地軌道交通擁堵，誰來爲空間車禍負責

不用四處尋找路由器，不必擔心海上深山沒有信號，看起來“星鏈計劃”的確非常便利，爲什麼還會有人抵制它呢？

首先近地軌道並不是一片“淨土”，根據聯合國的衛星登記網站（www.unoosa.org），截止今日人類共發射可9449枚人造天體進入宇宙（含已發射的星鏈衛星），目前仍在軌的人造衛星就有2000顆左右，即使按照目前的12000顆的“星鏈計劃”，也會將這一數字增加至五六倍。屆時大量的人造衛星、太空垃圾將漂浮在這片區域當中，導致近地空間的嚴重擁堵。

雖然SpaceX表示，每顆星鏈衛星都將“能夠追蹤在軌碎片並自動規避碰撞”，並且衛星在到達壽命後將自動脫離軌道，儘管按照聲明100%的部件應該在大氣層中消弭（在2019年5月份發射的v0.9版的衛星中，95%的部件會在大氣中消失，而在2019年11月之後發射的最新v1.0版中，所有部件都會消失），但如果它們在軌道上受到損壞或者未能成功分散開，這些衛星仍舊會構成嚴重問題。

在2019年5月發射的第一批星鏈中，就有3顆失去了聯繫，無法進行主動控制，從而形成了太空垃圾，儘管SpaceX則表示這三顆衛星將被重力拉向地球在大氣層中燃燒殆盡。

然而SpaceX也並非唯一一家有此計劃的企業，美國的亞馬遜（Amazon）和英國的OneWeb也都從星鏈計劃中看到了太空網絡的商機，也已經制定了自己計劃，準備發射相應的衛星網絡。而且亞馬遜公司的藍色起源火箭公司也是一家火箭技術成熟的公司，所以近地空間很可能很快會變得極爲擁擠。

一萬兩千虛假星光——全方位“鎖死”地面天文觀測

除了空間事故，更爲嚴重的是，“星鏈衛星”給全球天文觀測帶來了更大的難題。

對於衛星通訊的想法，早在上世紀90年代就已經有人提出並且投入了實踐。1997至1998年美國銥星公司發射了66顆手機全球通訊衛星（原本計劃發射77顆，因此以77號元素銥命名），但由於當時缺乏市場需求，“銥星計劃”在1999年進行了破產重組。

但銥星的升空卻帶來了“銥閃”這一頗具警示意味的人造天體現象，由於摩托羅拉公司在設計銥星的時候爲其裝備了三塊鋁製天線，隨着衛星自轉這些如同鏡子一般的天線會將太陽光反射到地面上，在地面上形成幾公里寬的光帶，處於光帶區域的人們都可以看到銥星快速由暗變亮，一閃而過。

圖4：銥閃發生時銥星的光度可以由肉眼難以注意到的5-6等極速升至-8等以上，幾秒後又再度變暗直至消失，來源：http://www.astrocn.com/beta/tags/%E9%93%B1%E9%97%AA

而數量遠遠高於銥星的星鏈衛星日前也已經被一些星空愛好者拍攝到了依次“閃光”的現象，亮度甚至可以超過織女星，如果這種閃光佈滿全天，其所造成的光污染將不堪設想。

　　圖5：天文愛好者拍攝到排成一列的星鏈衛星依次閃光，來源https：//www.youtube.com/watch？v=cycLZQtM8HU

不僅如此，即使星鏈衛星沒有發生閃光，它們對於深空觀測所帶來的影響也是不可估量的。來自哈佛-史密森天體物理中心的天文學家喬納森·麥克道維爾指出：“最新的報告表明，星鏈衛星大部分時間都停留在5等左右。”

雖然肉眼幾乎不可見，不管是對於星空拍攝者而言，還是對於專業的天文觀測（主要觀測目標爲10-20星等的暗星）研究人員而言，這些衛星依然實在是太亮了。因爲星鏈衛星的數量實在是太多了，所以導致愛好者和專業的天文觀測都因爲這些星鏈衛星入鏡而產生了大量廢片。

“看，萊昂納多，我爲你星鏈了蒙娜麗莎！” 來源：twitter/SuperASASSN

由於環繞速度遠高於天文觀測目標，進入到望遠鏡視場當中的星鏈衛星會在望遠鏡所拍攝的圖像中留下一道狹長的軌跡。而且因爲星鏈（starlink）衛星在照片中出現的頻率如此之高，以致於在英語中它作爲動詞成爲一個單獨的詞條。新的定義爲：“To `starlink‘ a picture - to add satellite-like trails to a photograph， for added pizzazz”（“星鏈一張照片——在照片上加上衛星般的蹤跡。”）。如果你看到蒙拉麗莎的名畫無端被加上幾條星鏈軌跡的時候，作爲名畫愛好者的你會是什麼樣的感受？肯定會覺得星鏈破壞了整幅畫的美感。同樣地，星鏈衛星對於星空攝影的破壞也是如此。

圖6：美國亞利桑那州洛厄爾（Lowell）天文臺在拍攝NGC5353/4的時候星鏈衛星自對角線貫穿望遠鏡整個視場，來源：Victoria Girgis/Lowell Observatory

圖7：智利Cerro Tololo Inter-American Observatory（CTIO）拍攝到的第二批星鏈衛星。來源：NSF’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory/CTIO/AURA/DELVE

圖8：2019年11月22日，意大利法拉天文臺觀測麒麟座α流星雨，入鏡大量星鏈衛星，來源：法拉天文臺

很顯然，無論對於業餘星空愛好者還是專業的天文學家而言，被軌跡所遮擋和接觸到的天體數據就全部都作廢了。在專業的數據處理中，一般會採用專門的算法來識別這些衛星軌跡，然後將這部分信息塗抹掉。

圖9：利用算法識別並消去衛星軌跡帶來的影響，來源：Desai et al.2016

然而在漫天星鏈衛星之下，望遠鏡中留下的或許就是這樣的畫面。

　　圖10：法拉天文臺全球流星網絡（GMN）攝像機拍攝麒麟座流星雨堆棧後的結果，大量的星鏈軌跡佈滿整張圖片，來源： Farra Observatory （GMN）

很明顯比起一條一條去掉衛星的移動軌跡，直接扔掉這些數據似乎是更爲正確的選擇，而“星鏈計劃”正在迫使天文學家們丟掉更多本應有用的數據。

根據大型綜合巡天望遠鏡（LSST）對未來42000顆星鏈衛星對觀測的影響進行了模擬。結果顯示有高達30%的圖像中將至少包含一條衛星軌跡，對這些衛星的亮度測量也表明，這些軌跡會在LSST的圖像中過飽和，比典型的星系亮2000萬倍，極端情況下並且因爲其亮度這些觀測圖像都將作廢，爲此LSST必須要在10年的觀測計劃之外增加4年以彌補這些損失。

LSST提出了兩個緩解這一問題的方案，其一是提高曝光次數，通過將原本爲30秒的標準曝光時間分解爲兩個15秒，如果只有其中一次包含了衛星軌跡，那麼便可以由另一次曝光補足軌跡造成的影響；第二種方案是降低衛星的亮度，如果衛星的亮度降低十倍，它們呈現在LSST的圖像中過飽和的情況就會大大減少。但是毫無疑問，無論哪種解決方案也都要以延長觀測計劃爲前提。

窗口起“霧”，射電波段也是重災區

不僅是可見光波段，即使是在射電波段，星鏈衛星依舊會造成嚴重的觀測干擾。

以中國貴州的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）爲例，以其爲中心半徑5公里內的核心區域都要保持無線電靜默，任何手機、數碼相機、智能穿戴設備在該區域內都被嚴禁使用，而即使是這樣FAST依舊無法避免來自天空的干擾，只能在安排觀測時避開衛星過境的時段。

“射電天文設施極易受到衛星向下傳輸信號的影響，畢竟射電望遠鏡無法藉助地理屏障遮蔽來自上空的干擾。”美國無線電頻率委員會（CORF）主席Liese van Zee這樣說道。而星鏈衛星工作產生的無線電波可能會直接影響射電望遠鏡對高頻信號的觀測。

由於射電望遠鏡所探測的科學目標是宇宙中大多十分微弱的電磁信號，而顯然星鏈衛星所發出的信號強度要遠強於它們，它們會對同頻率的宇宙線產生強烈的無線電干擾，不僅會將把需要的信息淹沒在大量衛星數據當中，還有可能損壞高度靈敏射電觀測設備。爲了避免星鏈衛星所帶來的不良影響，地面上的射電望遠鏡必須避開衛星過境的時間段來進行觀測，如果星鏈衛星全部進入近地軌道，或許我們將不得不放棄一些波段的觀測，無疑這對於射電天文學來說是一種損失。

總的來說，這些佈滿天空的衛星會加重地面天文觀測的負擔，無論是前期觀測規劃還是後期的數據處理都可能因爲星鏈衛星的介入導致工作量倍增。2019年諾貝爾物理學獎得主、劍橋大學教授Didier Queloz在最近的一次採訪中提到，“我喜歡全球覆蓋無線網這個想法，但這並不是毫無代價的。有些人正在用天空來做生意，作爲結果就是我們即將失去天空！”

SpaceX的補救，能否兩全其美？

如果回到2019年5月正式的星鏈衛星發射之前，馬斯克一直在宣稱星鏈衛星將對天文觀測不會產生任何的影響，然而畢竟馬斯克不是科學家，他低估了衛星對於天文觀測所產生的影響。衛星發射之後，很快就有科學家估計了即將發射的大量衛星對天文觀測的影響，而且的確發覺對於天文觀測影響不小。馬斯克對此結果也是採取了積極地正面回應。所以在美國天文學會（AAS）和國際天文學聯合會（IAU）協助天文學家和SpaceX的對話過程中，的確SpaceX團隊也準備採取多種方式降低衛星對於天文觀測的影響。

在2020年1月6日的發射計劃中，SpaceX將一顆“暗星（Starlink-1130）”發射升空，通過將衛星表面塗黑來實驗對亮度的降低效果。根據3月6日的觀測結果發現，相比較沒有塗黑的星鏈衛星，塗黑衛星的亮度有了大約2倍的降低，星等從6.7等降低了到了7.6等。儘管這種塗黑方式讓肉眼很難看到，卻仍舊不足以滿足專業天文臺，尤其是那些進行大視場觀測天文臺的需要。

不過通常而言，沒有人願意將衛星特別塗黑。首先因爲對於塗黑的衛星材料首先需要有很高的要求，比如不能和大氣中的氧原子發生氧化作用，否則會導致圖層掉落，產生太空垃圾，危害也是極大。在1983年，挑戰者號航天飛機在返回的途中，就被掉落的一塊油漆擊中窗戶，產生了一個非常明顯的痕跡。幸運的是玻璃窗戶是四層的。另外塗黑以後，會導致在面對太陽時，溫度上升，而進入地球陰影沒有太陽照射時，溫度下降，所以會導致衛星溫度變化過大，極大地降低衛星壽命。

除此之外這種鍍層也存在着一些潛在的問題，很可能會導致一些虛假觀測。當這些塗黑的衛星經過恆星的時候，會導致恆星亮度降低，天文學當中稱之爲掩星效應。在尋找系外行星的過程當中就使用這種方法，如果大量衛星發射升空，會導致很多這樣的虛假信號，增加數據處理的難度。

除此將衛星之外，在2020年3月舉行的衛星大會上，SpaceX的工程師還提出可以給每個衛星配備一個遮陽傘的想法，遮陽傘可以防止反射太陽光。不過這僅僅是一個想法，太陽傘裝置如何設計並且如何發射也是一個很大的問題。

在2020年4月27日，美國科學院組織的“天文和天體物理學10年規劃”的天文學2020特別會議中，邀請了天文界和馬斯克進行對話。此次對話中，SpaceX進一步提出了閃光亮度與衛星姿態有關係，將會調整衛星姿態，以及發射一些塗黑的高性能衛星儘快替代老的衛星。

不過SpaceX的這些措施，對於星空環境的改善十分有限。馬斯克在給天文學家的建議之一是進行太空觀測，並且在此次會議中向天文學家推薦他的星艦（starship）。儘管發射空間望遠鏡進行觀測亦是解決方案之一，而且火箭技術已經很成熟，但空間設備居高不下的預算卻使得大部分天文學家望而卻步。舉例而言，僅詹姆斯·韋伯空間站望遠鏡一項計劃的預算就高達將近100億美元，其主鏡面口徑卻僅6.5米。而要想把地基望遠鏡尺寸的龐然大物（例如在建的39米口徑的歐洲極大望遠鏡E-ELT）送入太空，所耗費的預算恐怕也是個天文數字。

總的來說，如果SpaceX無法給出更好的解決方案，恐怕“星鏈計劃”給天文學研究所帶來的困難堪稱災難。要知道，地面上肉眼可見的恆星也就5000顆左右，而對於星鏈衛星，即使不加上後續計劃的30000顆，按照目前的發射速度，它的數目很快將會超過肉眼可見恆星的數目。

儘管FCC已經批准SapceX可以發射12000顆衛星，但是也有人提出當然也有人對於SpaceX能否發射一直持續發射提出了質疑，因爲SpaceX發射如此多的衛星到近地環境，其實是已經對天空環境的破壞，所以有人對於FCC批准發射如此多的衛星的合法性提出了質疑。

不過目前來看，更多的衛星發射是不可避免，所以天文學家們也在從觀測和後期的軟件處理角度積極提出一些應對策略，就如上面提到的LSST減少每次觀測的時間方式。

在射電波段，CORF目前也正在同SpaceX進行協商，用以制定平衡科學和電信公司利益的協議。雖然地球大氣的射電窗口十分寬廣，卻實在是經不起過多分割，留給射電天文學的帶寬已然越來越窄。

發射依舊在繼續，有關此話題的討論還會持續很長一段時間。“天空應該是免費的嗎，或者它將是下一個市場？” Didier Queloz在採訪中說道，“我將很樂意看到關於此的辯論，因爲我們將每天它到他們（星鏈衛星），我希望全世界都能參與到討論中來，星鏈衛星和所帶來的問題真的是我們想要的嗎？”

習近平總書記在2019年中國北京世界園藝博覽會開幕上說道，“讓子孫後代能遙望星空、看見青山、聞到花香”。仰望星空不僅僅可以滿足衆人的興趣愛好，而且它也是科學發展中不可缺少的重要組成。如果我們看一下科學發展的歷史長河，天文學對於科學的發展，甚至於人類文明社會的進步都起着不可替代的作用。我們應該共同珍惜我們頭頂的星空。

致謝：感謝微博小龍哈勃和光頭怪博士對於美國10年規劃中星鏈計劃討論的總結。

參考文獻：

[1]： Tregloan-Reed J， Otarola A， Ortiz E， et al。 First observations and magnitude measurement of Starlink’s Darksat[J]。

[2]： Vera C。 Rubin Observatory – Impact of Satellite Constellations， https：//www.lsst.org/content/lsst-statement-regarding-increased-deployment-satellite-constellations

[3]： https：//www.youtube.com/watch？v=dA4FUFgXtKQ

[4]： Nadia Drake。 Will Elon Musk’s Starlink satellites harm astronomy？ Here’s what we know.https：//www.nationalgeographic.com/science/2019/05/elon-musk-starlink-internet-satellites-trouble-for-astronomy-light-pollution/#close

[5]： Desai S， Mohr J J， Bertin E， et al。 Detection and removal of artifacts in astronomical images[J]。 Astronomy and computing， 2016， 16： 67-78。