[论文解读] Concerns about ground based astronomical observations: a step to safeguard the astronomical sky

S. Gallozzi, M. Scardia+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2020

Space Satellite Systems and Control参考文献 3被引用 19

一句话总结

本文呼吁国际社会立即采取行动，保护地面天文观测免受近地轨道卫星巨型星座的日益增长威胁。这些卫星导致天空亮度上升、图像轨迹污染以及射频干扰。论文提出具有法律约束力的技术与安全措施，例如暂停发射、轨道碎片减缓措施，以及天文台对卫星部署的否决权，以保护未来世代的夜空科学与文化价值。

ABSTRACT

This article aims to highlight the impact for ground based astronomical observations in different windows of the electromagnetic spectrum coming from the deployment of fleets of telecommunications satellites. A particular attention is given to the problem of crowding of circumterrestrial space by medium/small size orbiting objects. Depending on their altitude and surface reflectivity, their contribution to the sky brightness is not negligible for professional ground based observations. With the huge amount of about 50,000 new artificial satellites for telecommunications planned to be launched in Medium and Low Earth Orbit, the mean density of artificial objects will be of >1 satellite for square sky degree; this will inevitably harm professional astronomical images leaving trails on them. Only one of these project, Starlink@SpaceX's, authorized by US Federal Communication Commission, plans to deploy about 42,000 not geostationary satellites, which will shine in sky after sunset and before sun dawn. Satellites will be observed in deep field images and particularly negative for scientific large area images used to search for Near Earth Objects, predicting and, eventually, avoiding possible impact events. Serious concerns are also common to other wavelengths eligible for ground based investigation, in particular for radio-astronomy, whose detectors are already saturated by the ubiquitous irradiation of satellites communication from Space stations as well as from the ground. The risk of running into the "Kessler syndrome" is also noteworthy. Understanding the risk for astronomical community, a set of actions are proposed in this paper to mitigate and contain the most dangerous effects arising from such changes in the population of small satellites. A dedicate strategy for urgent intervention to safeguard and protect each astronomical band observable from the ground is outlined.

研究动机与目标

• 应对小型卫星巨型星座对地面天文观测在光学、射电及其他电磁波段造成的日益增长威胁。
• 突出未加监管的卫星部署所带来科学与经济风险，包括图像质量下降、巡天灵敏度降低，以及库尔苏特综合征（Kessler syndrome）风险上升。
• 倡导立即实施政策干预，防止对天文科研与夜空造成不可逆损害。
• 呼吁建立国际法律框架，保护天文设施，并确保遵守空间可持续性条约。
• 提出协调一致、以科学为导向的监管方法，以平衡空间通信需求与地面天文观测能力的保护。

提出的方法

• 利用轨道参数、反照率与密度估算（例如：每平方度超过1颗卫星），分析卫星星座对天空亮度与图像质量的影响。
• 评估卫星下行链路造成的射频干扰，此类干扰已使敏感射电天文接收机过载。
• 模拟计划中超过50,000颗卫星，特别是星链（Starlink）的42,000颗卫星，对光学与射电观测的累积影响。
• 提议在完成科学与环境影响评估前，暂停非地球静止轨道卫星的进一步发射。
• 倡导建立国家与国际监管机制，包括天文台对卫星部署拥有否决权。
• 将所提措施与现有国际法相协调，例如《外层空间条约》（第九条）与《2018年长期空间可持续性指南》。

实验结果

研究问题

• RQ1 小型卫星巨型星座在多大程度上通过亮度增加与轨迹污染，降低地面光学天文图像的质量？
• RQ2 卫星传输数量的增加如何影响地面射电天文观测的灵敏度与完整性？
• RQ3 在近地轨道部署数万颗卫星的累积风险是什么，特别是引发库尔苏特综合征与轨道碎片级联反应的可能性？
• RQ4 可实施哪些法律与监管机制，以保护地面天文设施免受有害卫星干扰？
• RQ5 如何通过国际合作确保空间通信项目不会损害地面天文科研的科学价值？

主要发现

• 在中地球轨道与低地球轨道部署约50,000颗新小型卫星，将导致平均卫星密度超过每平方度一颗，显著降低天空质量。
• 星链计划的42,000颗非地球静止轨道卫星将呈现3至7等星等的亮度，导致天文曝光中出现明亮且持久的轨迹，尤其在黄昏时分更为明显。
• 射电天文已因卫星上行链路与下行链路传输而出现过载，威胁敏感观测的完整性。
• 由于大型星座未受控制地部署，库尔苏特综合征（即轨道碎片引发级联碰撞）的风险显著上升。
• 地面望远镜的科学与经济价值，包括价值10亿至100亿欧元的望远镜，可能因未加监管的卫星操作而遭受不可逆损害。
• 若无立即的监管干预，对天文科研与夜空的损害将不可逆，违反可持续空间利用原则与国际法。