Ещё 100 лет назад Млечный Путь можно было увидеть, выйдя за пределы города. С распространением и удешевлением электрического освещения рассмотреть детали нашей галактики стало сложно везде (особенно в мегаполисах и густонаселённых районах страны), кроме самых удалённых мест, в которых разместились крупнейшие телескопы современности. В последние два десятилетия появились дешёвые светодиодные лампы, которые сделали более распространённым на улицах и в домах голубой свет. Это ещё сильнее ухудшило видимость неба даже на расстояниях в сотни километров от крупных городов. А теперь ночное небо подвергается световому загрязнению и с орбиты. С мая 2019 года компания SpaceX уже запустила более 770 спутинков Starlink со средним темпом порядка 60 штук в месяц. Они — одни из самых ярких космических аппаратов на орбите. В ближайшие 5-10 лет мы можем стать свидетелями тридцатикратного увеличения числа подобных Starlink спутников. Если эти планы воплотятся в жизнь, то, вероятно, мы будем замечать больше спутников, чем звёзд, а ночное небо изменится по всему миру.
Так что же делать со всеми этими спутниками, чего и когда следует ожидать? Есть ли опасения для наземной наблюдательной астрономии? Что могут сделать исследователи и частные компании для решения этих проблем? В этой статье мы надеемся дать на эти вопросы краткие ответы на основе фактов.
Что и почему происходит?
В следующем десятилетии многочисленные частные промышленные компании (в том числе SpaceX, Kuiper Systems (дочерняя компания Amazon), Samsung и Boeing) планируют запустить от нескольких сотен до нескольких тысяч спутников на низкие околоземные орбиты (НОО). Спутники на НОО двигаются на высоте менее 1000 км. Хотя в настоящее время там насчитывается около 11 тысяч искусственных объектов, большинство из них представляют собой мелкий мусор, находящийся на орбитах высотой более 600 км. С другой стороны, спутники Starlink теперь составляют большую часть крупных объектов (> 100 кг) на высотах менее 600 км. Из-за низких орбит и крупных размеров они достаточно яркие, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом. Каждый тип низкоорбитальных аппаратов будет входить в состав так называемых «мегасозвездий». Это согласованные группировки спутников, которые будут работать вместе для достижения одной и той же цели.
Существуют причины для размещения нескольких тысяч спутников на НОО, но большинство компаний на этой стезе стремится обеспечить высокоскоростной Интернет с низкими задержками сети по всему миру. Объекты на НОО огибают Землю примерно за 90 минут. Это означает, что у них мало времени для связи с абонентами на поверхности планеты. Только мегасозвездие спутников может обеспечить последовательную и равномерную связь с населёнными пунктами по всему земному шару.
Такие услуги во многом полезны. С одной стороны, для некоторых сельских районов они могут быть единственным способом получить качественный доступ к Интернету. Действительно, по данным Федеральной комиссии по связи США, десятки миллионов американцев не имеют широкополосного соединения. В 2017 году ООН сообщила, что большинство стран мира не имеют доступа к широкополосному Интернету (особенно в Африке и Азии). Также, бизнес в сфере коммуникаций весьма прибыльный По словам генерального директора SpaceX Илона Маска, «общий доход от подключения к Интернету в мире составляет порядка триллиона долларов, и мы думаем, что, возможно, мы сможем получить доступ примерно к 3 процентам от этого, а может быть, и к 5 процентам». На данный момент неясно, насколько дорогими будут услуги связи Starlink, хотя утверждается, что они будут конкурировать с нынешними интернет-провайдерами.
На сегодняшний день SpaceX возглавляет гонку по заполнению НОО спутниками, успешно запустив уже несколько сотен. Ближайшие запланированные даты запусков приходятся на октябрь. Компания планирует предложить услуги жителям северных штатов США и Канады к концу 2020 года, а в 2021 году распространит их по всему миру. Росту сети не видно конца, поскольку Федеральная комиссия по связи США одобрила развёртывание 1 миллиона наземных станций связи Starlink, а на веб-обновления компании подписано более 700 000 американцев.
Чего следует опасаться?
В спутниках на НОО нет ничего нового, но их влияние на астрономию зависит от того, насколько они яркие. Аппараты Starlink теперь составляют большинство низкоорбитальных объектов, как показано на рис. 2. Все они видны невооружённым глазом (3-7 звёздная величина, и до 1-й величины сразу после запуска). Напомним, что человек может видеть звёзды до 6-й величины, и каждая следующая величина тусклее предыдущей в 2 раза. Самые яркие светила имеют отрицательную звёздную величину. В зависимости от широты, времени года и часа над головой скоро будет одновременно пролетать несколько сотен заметных глазом низкоорбитальных спутников. Любой объект с такой яркостью легко обнаруживается даже посредственными телескопами на снимках с самым коротким временем экспозиции. Вскоре такие изображения ночного неба, как на Рис. 1, могут заполниться следами спутников на НОО.
К счастью, уменьшение влияния спутников стало приоритетом для лидера этой космической гонки — SpaceX. Маск ранее заявлял: «[Мы] уверены, что не вызовем никакого эффекта в астрономических открытиях. Ноль. Это мое предсказание. Мы предпримем меры по исправлению, если влияние будет выше нуля». Однако достижение этой похвальной цели потребует внедрения инженерных решений, которые резко снизят яркость конструкции современных спутников. Уже запущенные аппараты компании достаточно ярки, чтобы нарушать базовые наблюдения. Рассматривают два метода, которые призваны затемнить спутники Starlink. В настоящее время они проходят испытания. Первый подход (DarkSat) предусматривает покраску спутника в тёмные цвета для уменьшения его отражательной способности, а второй (VisorSat) — добавление специальных козырьков, которые будут уменьшать освещённость отражающих компонентов. Прототип DarkSat уже запущен, но астрономы установили, что он всего лишь в 2 раза тусклее, чем оригинальные спутники Starlink. Он достаточно тусклый, чтобы его нельзя было заметить невооружённым взглядом, но все же его яркости достаточно, чтобы нарушить телескопические или фотонаблюдения. Как Американское астрономическое общество, так и Международный астрономический союз создали рабочие группы, которые активно взаимодействуют со SpaceX для решения этих проблем. Ведётся сотрудничество в разработке методов для дальнейшего уменьшения последствий. Эта работа только начинается, но обе стороны выражают оптимизм.
Конкретный пример: обсерватория Vera Rubin
В астрономии наиболее пострадают от присутствия многочисленных низкоорбитальных спутников программы наземных обзоров, в ходе которых многократно снимают большие участки неба. Наиболее яркий пример — проект Legacy Survey of Space and Time (LSST) будущей обсерватории Vera Rubin. Каждую ночь в течение следующих десяти лет астрономы с помощью самой крупной в мире цифровой камеры, установленной на 8,3-метровом телескопе с полем обзора в десять квадратных градусов, будут делать 1000 снимков всего неба, которое видно из Серро-Пачона в Чили. На единичном снимке этой камеры с 30-секундной экспозицией видны объекты в 20 миллионов раз тусклее, чем можно увидеть человеческим глазом. То есть в 20 миллионов раз тусклее, чем низкоорбитальные спутники вроде Starlink.
Недавно группа астрономов исследовала потенциальное воздействие низкоорбительных мегасозвездий на выполнение научных целей LSST. В своей работе учёные изучили вопрос об изменении алгоритма планирования наблюдений LSST так, чтобы избежать появления на снимках спутников. Они смоделировали их влияние на снимки, провели наблюдения уже запущенных аппаратов Starlink и обсудили дальнейшие проблемы, которые следует рассмотреть. На рисунке 3 показана модель треков на небе, которые создаст группировка из 48 000 спутников над Чили при десятиминутной экспозиции. Ниже приведены основные результаты их анализа в предположении, что они обладают такой же яркостью, что и современные Starlink:
- Наиболее подверженным влиянию орбитальных группировок временем года станет чилийское лето, когда от 10-20% (полночь) до 40-90% (сумерки) наблюдений будет содержать следы от спутников. В зимние же полуночи в Чили их практически не будет видно. Повсеместное присутствие Starlink во время астрономических сумерек создаст серьёзные проблемы для программ, у которых в эти часы должны проводиться наблюдения.
- Обычные спутники Starlink имеют примерно 5 звёздную величину при наблюдениях при помощи фильтра — достаточно ярко, чтобы быть замеченными человеческим глазом глазом. DarkSat же примерно в 2 раза тусклее (~ 6 звёздная величина).
- Для того, чтобы удалить все артефакты изображения, вызванные пролётами спутников, на орбите должно быть не более 50 000 спутников, и все они должны быть тусклее 7 звёздной величины — в 2,5 раза менее яркие, чем современные DarkSat. Удалить след самого спутника полностью невозможно, поэтому некоторая часть пиксельных данных теряется навсегда.
- Космология, вероятно, пострадает в наибольшей степени, поскольку измерения в этой науке наиболее чувствительны к систематическим пробелам и искусственным корреляциям данных, таким как артефакты от следов спутников. Также сильно пострадает обнаружение переменных или движущихся объектов, хотя количественная оценка этого влияния пока не ясна.
Команда пришла к выводу, что развёртывание низкоорбитальных спутниковых сетей вызовет многочисленные проблемы для программы LSST. Многие из них можно будет избежать, если спутники станут менее яркими, чем 7-я звёздная величина. Авторы пишут: «Успешное осуществление научных задач LSST потребует от научного сообщества дополнительных усилий. Чтобы выполнить эту программу в условиях наличия многочисленных низкоорбитальных спутников, может потребоваться увеличить расходы и изменить расписание. Возможно, LSST придётся работать дольше 10 лет».
Наверное, недолго ещё ясное ночное небо будет заполнено только звёздами и планетами, а не спутниками, созданными человеком. К лучшему это или к худшему, но, похоже, в будущем ночное небо обречено измениться. Нет никаких гарантий, что другие компании будут стремиться затемнить свои спутники так, как это делает SpaceX, и неясно, сколько объектов будет в итоге находиться на низкой околоземной орбите.
Однако астрономические открытия делаются не вопреки, а благодаря технологическому прогрессу. Световое загрязнение сделало большинство обсерваторий на американском северо-востоке бесполезными, но сегодня мы используем дистанционное наблюдение и можем подключаться к современным обсерваториям по всему миру, как это будет и в случае с обсерваторией Vera Rubin. Кроме того, технический прогресс сделал реальностью такие проекты, как LSST, немыслимые ещё несколько десятилетий назад. Атмосфера Земли всегда ограничивала детализацию изображений, поэтому космические агентства вывели телескопы на орбиту и продолжают работу над созданием нового поколения космических обсерваторий, таких как James Webb, Nancy Grace Roman и Euclid.
Будущее ночного неба не определено, чего нельзя сказать о будущем астрономии. Новые сложности, которые возникают с вводом в строй Starlink и других орбитальных группировок, потребуют от научного сообщества больше сотрудничества и творческих усилий. Но они не смогут остановить безудержного стремления человека изучать космос.
Автор: Дмитрий Логинов
Источник: https://astrobites.org/2020/09/25/leosats/
