歐洲南方天文台（ESO）的一項新研究發現，目前計劃將超過 170 萬顆衛星（包括極亮的衛星）送入軌道的方案，將對天文學造成「毀滅性後果」。根據該研究，為保障我們能透過現代望遠鏡觀測夜空，地球軌道上應不超過 10 萬顆肉眼無法看見的暗弱衛星。這項研究是首度量化計算大型且明亮的衛星星座——這些衛星星座也引發了對健康與環境影響的擔憂——會因使夜空變亮而對天文觀測造成何種程度的影響。
自2019年以來，環繞地球運行的衛星數量迅速增加，至今已超過14,000顆——其中以SpaceX的「星鏈」（Starlink）通訊衛星為主。衛星計畫的提案數量與潛在影響均持續加劇。「迄今為止我們尚能應付，但情況正日益惡化，」長期參與制定減輕衛星星座對天文學影響建議的奧利維爾·海諾（Olivier Hainaut）強調。他表示，儘管SpaceX等公司已採取措施降低衛星亮度，但當前的衛星提案正「超越」天文學所能承受的「極限」。海諾特身為歐洲南方天文台（ESO）服務逾30年的天文學家，是這篇關於衛星星座影響的同行評審研究論文作者，該論文已獲《天文學與天體物理學》（Astronomy & Astrophysics）期刊接受刊載。
SpaceX 計畫再將一百萬顆衛星送入軌道，用以建置太空數據中心，這將顯著改變夜空的樣貌。這項新研究顯示，每晚的大部分時間裡，將能看到數百顆衛星；而在特定時段，數量甚至可能高達數千顆，這與在良好觀測條件下肉眼可見的星辰數量相當。其他已規劃的衛星星座，例如 E-Space 的「Cinnamon」以及中國的 CTC-1 和 CTC-2，將使軌道上的衛星數量再增加數十萬顆，使問題更加嚴重。
美國新創公司「Reflect Orbital」旨在發射一個由超大型鏡面衛星組成的星座，以在夜間提供陽光，其反射光束在地球表面上的覆蓋範圍至少達五公里。該公司計劃今年先將一顆原型衛星送入軌道，並預計在2035年前將衛星數量增加至50,000顆。這些衛星將是軌道上迄今為止最亮的衛星，對地球上的暗夜天空將造成破壞性後果。海諾（Hainaut）的計算顯示，完整的衛星星座將使夜空布滿數百顆極為明亮的衛星。若從反射光束範圍內觀測，提供陽光的衛星亮度將是滿月的四倍。即使沒有衛星將光束直接照射在觀測者身上，每顆衛星的亮度也將與「晨星」金星相當。在光污染嚴重的城市（例如德國慕尼黑），這些數百顆衛星將是夜空中唯一可見的「星星」。
這些提案，加上研究中探討的其他計畫，將使夜空亮度劇增，阻礙人類觀測微弱宇宙天體的能力，包括遙遠的星系、繞行其他恆星的類地行星，甚至可能對地球構成威脅的小行星。
明亮的軌跡與更明亮的夜空
海諾特解釋道：「被太陽照亮的衛星，其亮度遠高於遙遠的星系。當衛星穿越我們的觀測視野時，會在影像中留下明亮的軌跡，將其後方的任何天體都遮蔽殆盡。」
為了計算此現象以及衛星星座對天文觀測的其他影響，海諾特模擬了所有現有及規劃中衛星星座的位置、運動軌跡與亮度。
針對 SpaceX 的衛星巨型星座，他發現若在夜間兩小時後使用位於智利帕拉納爾天文台的歐洲南方天文台（ESO）超大望遠鏡（VLT）拍攝，每張影像中將出現數十條軌跡，導致視野損失高達 28%。此假設基於衛星亮度足夠微弱，在良好觀測條件下肉眼無法看見。若其亮度僅略高一些，某些儀器將受到更嚴重的影響：例如，美國國家科學基金會（NSF）維拉·C·魯賓天文台（Vera C. Rubin Observatory）所使用的相機，其每晚拍攝的大部分影像都可能在數小時內變得無法使用。
海諾（Hainaut）的模擬假設，沒有任何一顆 Reflect Orbital 衛星會將光束直接對準或接近天文台。即便如此，單一鏡面衛星留下的光跡，仍可能破壞如魯賓天文台那類相機的觀測。當 Reflect Orbital 衛星的完整艦隊進入軌道後，每當衛星被太陽照亮時，這類相機拍攝的每一張影像都將無法使用。
然而，限制我們觀測範圍的不僅是衛星交錯的軌道：它們發出的光線更會污染整個天空。那些暗到無法直接肉眼看見的衛星會產生一層「漫射」光幕，而較明亮衛星的光線在穿過大氣層時，則會向四面八方「散射」。這兩者都會增加夜空的整體亮度。這項研究是首個考量衛星星座對背景天空亮度所造成影響，進而揭示衛星光污染完整程度的研究。
像「Reflect Orbital」這類極亮的衛星星座，將對背景天空亮度產生特別顯著的影響。若「Reflect Orbital」的 50,000 顆衛星全部投入運作，天空的整體亮度將提高三至四倍。
限制衛星數量以守護夜空
海諾（Hainaut）總結指出，擬議中的 170 萬顆新衛星將對地面天文觀測造成嚴重後果。唯有將現有及未來衛星的總數限制在 10 萬顆以內——且這些衛星的亮度必須低到無法在暗夜觀測點用肉眼看見——才能避免這些影響。「這不是一個絕對的數字，例如 99,999 個就沒問題，而 100,001 個就不行：顯然我更希望是 50,000 個，」海諾表示。「但 100,000 個所造成的損失，大致與其他技術性損失（例如設備故障）的程度相當。」 不過，他補充道，這些衛星的亮度必須低於視星等 7 等 [4]；若其中部分衛星過亮——超過肉眼可見的最低閾值——則總數就必須大幅降低。
提出最極端新提案的 SpaceX 和 Reflect Orbital，已分別向美國聯邦通信委員會（FCC）提交發射許可申請。這項新研究成為歐洲南方天文台（ESO）與英國皇家天文學會及國際天文學聯合會合作，針對這些提案向FCC提交回應的依據。
「FCC 收到了超過 1800 則關於 Reflect Orbital 的意見，以及近 1500 則針對 SpaceX 申請的意見，」負責協調 ESO 對這些提案回應的 ESO 機構事務官貝蒂·基奧科（Betty Kioko）解釋道。「現在球在FCC那邊，我們正等待他們對這兩份申請案做出裁決。對光學天文學而言，這是一項存亡威脅，我們希望監管機構能認同這一觀點。」
「天文學為人類創造了巨大的價值，包括科學、技術、經濟和教育方面的價值，並幫助我們理解自己在宇宙中的位置，」歐洲南方天文台總幹事哈維爾·巴爾孔斯（Xavier Barcons）表示。「 低地球軌道上計畫部署的大量衛星正對這項能力構成挑戰，這凸顯了限制未來衛星發射的必要性，同時也強調天文學家、工程師、衛星營運商及其他利害關係人必須攜手合作，採取嚴格的緩解措施。」
「發射數千顆衛星將帶來經濟、生態及天文層面的影響，」海諾補充道。極明亮的衛星星座所產生的光污染，會透過干擾生物鐘與生態系統，進而影響地球上生命體的健康與運作。大型衛星星座還會對空氣品質造成直接影響，這既源於發射和維護數千顆衛星所需的頻繁發射任務，也源於衛星壽命結束時再入大氣層燃燒所造成的大氣污染。「我的專業是天文學，因此我量化其對天文學的影響，」海諾解釋道，「我希望其他人也能根據各自的專業領域評估其他方面的影響。」
海諾總結道：「近地軌道猶如一片天際海岸，為現代生活帶來巨大價值，從全球互聯到讓我們得以清晰窺見宇宙皆然。然而，我們必須妥善管理超大型衛星星座所造成的影響——從影響天文學的光污染，到衛星再入大氣層所產生的影響——以確保這項資源能保持原始狀態，並讓後代子孫得以繼續享用。」
原文來源：EOS
Image Credit: F. Kamphues, ESO/M. Kornmesser
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