[논문 리뷰] Concerns about ground based astronomical observations: quantifying satellites' constellations damages

S. Gallozzi, D. Paris외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 11.

Space exploration and regulation참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 저궤도에 궤도를 도는 최대 50,000개의 위성 기반의 대규모 위성 편대가 지상 천체관측에 미치는 악영향을 광학, 라디오, 체렌코프 파장에서 정량적으로 평가한다. 지상 천문관측의 영향을 고려할 때, 이는 이미지 품질 악화, 라디오 주파수 간섭, 주요 천문대의 과학적·경제적 가치 저하를 초래할 수 있으며, 천문학적 시설과 야간천문을 세계 유산으로 보호하기 위해 법적·규제적 조치가 필요하다고 주장한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지상 천체관측에 미치는 영향을 정량화하기 위해 최대 50,000개의 저궤도(LEO) 위성의 배치로 인한 과학적·경제적 손실을 평가한다.
• 광학, 라디오, 체렌코프 천문학을 포함한 다중 전자기 스펙트럼 창구에서 위성 편대의 영향을 평가한다.
• Iridium 위성 편대를 역사적 참고자료로 삼아 라디오 주파수 간섭(RFI)이 라디오 천문학 시설에 미치는 위험을 평가한다.
• 위성 간섭으로 인한 지상 천문대의 과학적 가치와 공공 투자 손실을 추정한다.
• 국제법 및 우주 조약에 기반하여 위성 편대에 대한 법적 조치를 뒷받침할 근거 자료를 제공한다.

제안 방법

• 궤도 역학을 활용해 위성의 각 크기와 운동을 분석하고, 고도와 지구의 중력 파rameter를 기반으로 각속도(ω)와 축방향 속도를 계산한다.
• 다양한 궤도 층(340 km, 550 km, 1150 km)에서의 Starlink 위성 최대 각크기 추정을 위해 공식 θ ∝ tan⁻¹(9.1 m / 고도)를 사용한다.
• 광도 스케일링 법칙을 적용: 추적 대상에 대해 L(ω) ∝ ω⁻², 흐린 이미지에 대해 L(ω) ∝ ω⁻¹.⁵를 사용해 감지기 이미지에서의 효과적 등급을 추정한다.
• 태양 고도와 궤도 층에 따른 조명 요인을 평가하고, 그림 2를 활용해 황혼기 및 야간 통과 시 위성 밝기를 모델링한다.
• 라디오 천문학에 대한 분석을 확장하여 RFI 위험을 모델링하고, Arecibo 관측소에서의 이전 Iridium 간섭 사례를 참조한다.
• 체렌코프 천문학 영향 평가를 위해 HAWC 및 CTA와 같은 대규모 실험을 고려하여 천체망원경 이미지에서의 위성 흔적을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 야간 하늘에서 30도 이상 고도에 걸쳐 보이는 위성의 예상 수는 얼마이며, 이는 지리적 위도에 따라 어떻게 달라지나?
• RQ2 위성 흔적이 고해상도 광학 천체감지기에서 과학적 데이터를 얼마나 심각하게 포화 또는 열화시키는가? 이는 위성의 각속도와 감지기 픽셀 크기에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 위성 편대가 라디오 천문학 시설에 어떻게 간섭하는가? 이전의 RFI 사건(예: Iridium 위성 편대에 의한 간섭)으로부터 어떤 교훈을 얻을 수 있는가?
• RQ4 대규모 위성 편대가 체렌코프 천문학에 어떤 잠재적 영향을 미칠 수 있는가? 특히 대규모 지상 기반 감마선 천문대에 대해 말이다.
• RQ5 growing 위성 편대와 잠재적 조약 위반을 고려할 때, 지상 천문학 시설의 과학적·경제적 가치를 어떻게 법적으로 보호할 수 있는가?

주요 결과

• 지리적 위도와 궤도 층에 따라 야간 하늘에서 최대 500개의 위성이 30도 이상 고도에 보일 수 있으며, 이는 하늘 오염을 심각하게 증가시킨다.
• 340 km 고도의 Starlink 위성은 약 0.0015도의 각크기를 가지며, 고해상도 광학 영상에서 확장된 소스로 감지 가능하다.
• Starlink 위성의 궤도 속도는 1150 km 고도에서 7.3 km/s에서 340 km 고도에서 7.7 km/s 사이이며, 1150 km 고도에서 각속도는 각각 ERS 기준 0.055 deg/s, LRS 기준 0.3 deg/s이다.
• 낮은 고도(예: 340 km)의 위성은 하늘을 더 빠르게 움직여 픽셀당 노출 시간을 줄여 포화 가능성은 낮추지만, 여전히 긴 흐린 자국을 남긴다.
• Starlink 위성의 조명 요인은 황혼기에 가장 높으며, 태양이 지평선 이하 10~15도에 있을 때 뚜렷한 밝기가 관측되어 간섭 위험이 증가한다.
• 논문은 다른 연구들(예: ESO 및 CFA)의 추정치가 총 계획 위성 수를 과소평가하고 있으며, VISTA 및 VST와 같은 대형 망원경을 고려하지 못해 실제 영향을 과소평가하고 있다고 주장한다.