SpaceX 為何變成太空探索最大「敵人」?

作者 | 發布日期 2022 年 02 月 11 日 8:30 | 分類 自然科學 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


要問全球最知名的民營航太公司,大多數人都知道那家,就是 SpaceX。SpaceX 名稱是縮寫,全稱是 Space eXploration(太空探索)。雖然名字取得好,但在整個太空探索領域和業界名聲有點越來越差的傾向。

為何會這樣?

目前可算全球發射能力最強的民營航太公司,SpaceX 幾乎以一己之力攬下美國等多國政府和民營公司發射業務,就連美國政府都把「國營」發射台打包交給 SpaceX 經營。

如果沒有 SpaceX,太空探索將失去重要的交通工具提供者。按理說大家都很尊重 SpaceX 才對,然而某些太空觀測者眼中,SpaceX 簡直是「亂來」,因為許多太空照片有越來越多 SpaceX 星鏈衛星強勢「搶鏡」。

最近全球多家天文觀測機構科學家聯合發表通訊論文,痛批 SpaceX 星鏈衛星來亂的。文章指出,近年星鏈衛星污染的觀測照片比例,已占整個照片庫近二成,增幅高達 35 倍。

總在關鍵時刻搶鏡

美國政府、歐洲天文台、華沙大學、加州理工、UC 柏克萊等多家機構科學家,最近在太空探索核心期刊《天文物理期刊》通訊專欄發表文章:〈SpaceX 星鏈衛星對史維基瞬變設備觀測結果的影響〉(Impact of the SpaceX Starlink Satellites on the Zwicky Transient Facility Survey Observations)。

史維基瞬變設備(ZTF)是專門觀測瞬變天文事件(transient astronomical events)的設施,位於南加州聖地牙哥 Palomer 天文台,由加州理工學院營運。瞬變天文事件指持續時間很短(幾秒到幾年)的天文事件,如重力波事件、伽馬射線爆發等。

科學家提取 ZTF 從 2019 年 11 月到 2021 年 9 月拍攝的大量天文照,分析後發現令人擔憂的問題:

近兩年裡,ZTF 觀測照共出現超過 5,300 條星鏈衛星軌跡。

下圖為加州理工發表,去年 5 月以 ZTF 望遠鏡拍攝仙女座星系的結果。可看到一條很長、很亮軌跡線劃過照片,明顯污染了觀測主體。且照片只是 ZTF 高達 47° 視場的 1/16 而已。完整照片還有更多星軌污染。

科學家發現,隨著 SpaceX 加速推動星鏈計畫,軌道衛星數量快速增加,對 ZTF 觀測結果的污染比例也明顯提高。2019 年底,ZTF 曙暮光觀測(twilight observation)照片還只有 0.5% 遭星鏈衛星軌跡污染。到 2021 年 8 月,污染照片多了 35 倍,達約 18%。

下圖紅線為 SpaceX 星鏈衛星數量,藍柱為同期 ZTF 受污染照片數量:

作者特別提到,近地軌道大量星鏈衛星對曙暮光觀測造成嚴重污染。

天文學的曙暮光(astronimical twilight)指的是清晨和黃昏時,太陽高度在地平線下 12°~18°,由高層大氣散射進入低層大氣的陽光。此時段天空不被太陽照亮,方便觀測某些關鍵天體,甚至可用肉眼看到。

短暫的曙暮光時段,對發現和觀測(NEO)來說非常重要。NEO 包括彗星、流星及對地球有潛在威脅的外星物體。2020 年曾有枚直徑超過 1 公里,運行軌道完全在金星軌道內的小行星,就是 ZTF 在曙暮光時段發現的──這些觀測活動對保護地球和生命很關鍵。

然而曙暮光時段,恰好也是星鏈衛星對天文觀測污染最嚴重的時段。

作者指出,由於星鏈衛星屬低地軌道衛星,靠近地平線,在曙暮光時段,這些衛星投射到地面的表面密度(projected surface density)最高,對天文觀測造成不成比例的影響。

作者引用其他科學家模型推演:可觀測到的低地軌道衛星,約 90% 都聚集在近地平面(30° 內)天空。衛星因太陽光反射亮度頗高,干擾曙暮光時段天文觀測。而衛星亮度只在太陽落下/升起前較長時間才有降低。

星鏈衛星又是目前所有低地軌道衛星數量最多,居曙暮光時段天文觀測污染源之首當之無愧。很多地面天文研究人員和觀測愛好者都對 SpaceX 表達不滿。但作者表示,僅就數據來源的 ZTF 看,正常科學觀測還沒受星鏈軌跡污染特別明顯影響。

但考慮到 SpaceX 取得美國通訊監管機構 FCC 批准發射更多衛星,如果未來真照計畫,星鏈衛星增加到 1.2 萬顆(目前的 7 倍),後果不堪設想。作者估計,當星鏈衛星數量達 1 萬顆時,ZTF 所有天文照片都會遭星鏈衛星軌跡污染──是所有照片,污染比例 100%。

更別提 1.2 萬顆計畫基礎上,SpaceX 還向美國政府提交新計畫,會額外發射 3 萬顆衛星。到時所有地面的太空觀測都不可避免遭污染。誇張點說,茫茫星鏈衛星海,將對人類發現和預防近地物體威脅形成大障礙。

▲ 星鏈衛星軌跡於太空觀測紅外照片清晰可見。(Source:JPL)

SpaceX 並非沒有努力改善

2019 年 5 月 SpaceX 發射第一批星鏈衛星。當時對大量低地軌道衛星污染天文觀測,天文界就表達擔憂。考慮到星鏈上層的聯邦通訊監管部門 FCC 實權更大,加上 SpaceX 的話語權很高,天文學界的抗議幾乎沒對星鏈計畫造成阻礙,且 FCC 還多次批准 SpaceX 增加星鏈衛星數量。

如果讀者最近看過 Netflix 電影《千萬別抬頭》,應該記得掌權者和科技富豪多輕視天文學專家的意見。現在看來這劇情並非虛構,只是描述現實而已。

論文提到截至去年 11 月,發射升空的星鏈衛星數量達 1,791 顆,124 顆墜入大氣層退役,在軌衛星數量剩 1,667 顆,也正常工作中。提供地面網路服務的衛星數量為 1,468 顆。

衛星數字仍在增長,原因就在 SpaceX 每次發射星鏈衛星上天不是幾顆,而是一批。每批數量 48~53 顆,SpaceX 獵鷹 9 號火箭最大負載 60 顆,僅今年 SpaceX 前兩次發射,就將在軌星鏈衛星數量增至近 2 千顆。

據 SpaceX 披露和提交監管部門的方案,整個星鏈計畫衛星總數是 42,000 顆。

身為民營航太業的領導者,SpaceX 也不可避免要和天文學界打交道。雖也有過努力,盡量減少星鏈衛星可見性,降低存在感以免影響天文觀測。2020 年 4 月,SpaceX 官網發文,表示就衛星干擾天文觀測和美國國家科學院專家會談,表示會改造未來發射的星鏈衛星,使用暗色塗層,以及在衛星最亮部分安裝可展開的遮罩,降低衛星反射率。

2019 年 11 月開始,SpaceX 採用 V1.0 版星鏈衛星(雖然版本號為 1,卻非 SpaceX 射上天的第一版)。這代衛星有顆名為 DarkSat,外殼使用特殊暗色塗層降低反射率。不過遺憾的是,塗層後來發現會使衛星吸收過量可見光輻射,且反射過量紅外線,導致嚴重過熱,故 DarkSat 方案很快就棄用了。

少數 V1.0 衛星及後續 V1.5 衛星增加可展開收回的暗色遮罩(下圖),取代失敗的塗層方案,名為 VisorSat。原理上,衛星影響天文觀測最大的時段,遮罩可展開,過了時段再收回。

論文指出,遮罩方案對降低關鍵時段衛星可見性效果較明顯,然而可能因機械故障,近期發射的星鏈衛星並沒有裝遮罩,或有裝卻未順利展開。SpaceX 官網宣稱,正和知名天文學協會和研究機構合作,探討衛星對天文觀測的影響,盡快想出解決方案。

然而從論文觀測數據看,SpaceX 的努力並沒有太多效果,但問題還沒解決,SpaceX 就繼續增加在軌星鏈衛星數量。2 月 4 日 SpaceX 剛發射今年第二批星鏈衛星 49 顆。

「鑑於在軌星鏈衛星數量逐漸增長,受軌跡影響的觀測照片量增長速度也令人緊張」,論文寫道,「我們將持續觀測北半球天空,預估會拍到數以千計的衛星軌跡」。

(本文由 品玩 授權轉載;首圖來源:Flickr/Vishal Makwana CC BY 2.0)

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