[論文レビュー] Concerns about ground based astronomical observations: quantifying satellites' constellations damages

S. Gallozzi, D. Paris+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2020

Space exploration and regulation参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、地上望遠鏡観測における光学的・電波的・チェレンコフ波長域への影響を定量的に評価し、低地球軌道に最大50,000基の衛星が配置された場合、画像品質の著しい劣化、電波周波数干渉（RFI）、主要な観測施設の科学的・経済的価値の損なわれることを示している。また、天文施設と夜空を世界の文化的遺産として保護するための法的・規制的措置を提言している。

ABSTRACT

This article is a second analysis step from the descriptive arXiv:2001.10952 preprint. This work is aimed to arise awareness to the scientific astronomical community about the negative impact of satellites' mega-constellations and put in place an approximated estimations about loss of scientific contents expected for ground based astronomical observations when about 50,000 satellites will be displaced in LEO orbit. The first analysis regards the impact on professional astronomical images in optical windows. Then the study is expanded to other wavelengths and astronomical ground based facilities (radio and higher energies) to better understand which kind of effects are expected. Authors also try to perform a quantitative economic estimation related to the loss of value for public finances committed to the ground based astronomical facilities armed by satellites' constellations. These evaluations are intended for general purposes, can be improved and better estimated, but in this first phase they could be useful as evidentiary material to quantify the damage in subsequent legal actions against further satellites deployments.

研究の動機と目的

• 低地球軌道（LEO）に最大50,000基の衛星が打ち上げられることによる地上天文観測への科学的・経済的損害を定量化すること。
• 光学的・電波的・チェレンコフ天文観測の複数の電磁スペクトル窓にわたる衛星コンステレーションの影響を評価すること。
• Iridium衛星コンステレーションを歴史的参照事例として用い、電波周波数干渉（RFI）が電波天文台施設に与えるリスクを評価すること。
• 衛星干渉による地上望遠鏡の科学的価値と公的投資の損失を推定すること。
• 国際法および宇宙条約に基づいた、衛星コンステレーションに対する法的措置の根拠を提供すること。

提案手法

• 軌道力学を用いて衛星の視角サイズと運動を分析し、高度と地球の重力パラメータに基づいて角速度（ω）および径方向速度を計算する。
• 異なる軌道シェル（340 km、550 km、1150 km）におけるStarlink衛星の最大視角サイズを推定するための式 θ ∝ tan⁻¹(9.1 m / altitude) を使用する。
• 光度スケーリング則を適用：追尾対象では L(ω) ∝ ω⁻²、 trailed 対象では L(ω) ∝ ω⁻¹.⁵ を用い、検出器画像における有効等級を推定する。
• 太陽の高度と軌道シェルに応じた照照明要因を評価し、図2を用いて薄明時および夜間通過時の衛星の明るさをモデル化する。
• 電波天文観測への応用として、RFIリスクをモデル化し、Arecibo観測所でのIridium干渉を参照する。
• チェレンコフ天文観測への影響を評価するため、HAWC や CTA といった大規模実験を検討し、天球スキャンにおける衛星の尾跡の影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 夜空において30度以上の高度に見える衛星の予想数はどの程度で、地理的緯度によってどのように変化するか？
• RQ2 衛星の尾跡が光学的天文検出器の科学的データにどの程度飽和または劣化を引き起こすか、またこれは衛星の角速度と検出器のピクセルスケールにどのように依存するか？
• RQ3 衛星コンステレーションは電波天文観測施設にどのように干渉するか。また、Iridium衛星による過去のRFI事例から何を教訓にできるか？
• RQ4 巨大コンステレーションは、大規模な地上型ガンマ線望遠鏡施設を対象としたチェレンコフ天文観測にどのような影響を及ぼす可能性があるか？
• RQ5 増加する衛星コンステレーションと潜在的な条約違反を踏まえて、地上天文施設の科学的・経済的価値をどのように法的に保護できるか？

主な発見

• 地理的緯度と軌道シェルに依存して、最大500基の衛星が夜空の30度以上の高度に可視化可能であり、天の川の汚染が著しく増加する。
• 340 km高度のStarlink衛星は視角サイズが約0.0015度に達し、高分解能光学撮影において拡大された光源として検出可能である。
• Starlink衛星の軌道速度は1150 km高度で7.3 km/s、340 km高度で7.7 km/sであり、1150 km高度での角速度はERSで0.055 deg/s、LRSで0.3 deg/sに達する。
• 低高度（例：340 km）の衛星は空を速く移動するため、ピクセルあたりの露出時間が短くなり、完全な飽和の可能性は低下するが、依然として長いストリーク状の尾跡を形成する。
• Starlink衛星の照照明要因は薄明時に最も高く、太陽が地平線以下10–15度の位置にいる際に顕著な明るさが観測され、干渉リスクが高まる。
• 本論文は、他の研究（例：ESO や CFA）の推定値が、VISTA や VST のような大型望遠鏡を考慮していないため、実際の影響を低く見積もっていると主張している。