Спутники глобального интернета фотобомбардируют телескопы и мешают исследованиям астрономов.

Астроном Клифф Джонсон (Cliff Johnson) всматривался в глубокий космос перед рассветом, когда нечто близкое к Земле прервало его наблюдение.

Он и его коллеги искали карликовые галактики, прижавшиеся к Млечному Пути используя 4-метровый телескоп Victor M. Blanco в Чили. Команда дистанционно управляла зондом из помещения Фермилаб (Fermilab) в Батавии, Иллинойс, примерно в 8200 километрах.

«У нас была хорошая ясная ночь»,— говорит Джонсон, из Северо-западного университета (Northwestern University) в Эванстоне, Иллинойс. Через наружную веб-камеру в обсерватории команда могла следить за сценой в высокой чилийской пустыне. Небо было безупречным: чернильно-чёрное с точками белого звездного света.

«Внезапно, благодаря этим веб-камерам, мы стали видеть, как проскакивают эти полосы»,— говорит Джонсон. Вспышки белого света пронеслись по всему полю, словно лазерный огонь из научно-фантастического крейсера. Злоумышленники пролетели прямо перед взором телескопа: при пятиминутной экспозиции с камерой прицела 19 белых линий исказили изображение. Чтобы понять, кто виновник не потребовалось много времени.

Неделей ранее, 11 ноября 2019 года, аэрокосмическая компания SpaceX запустила 60 спутников Starlink, чтобы присоединиться к растущему парку спутников, созданных для глобального широкополосного доступа в Интернет. Это скопление спутников на низкой околоземной орбите фотобомбордировало изображение Джонсона.

SpaceX планирует отправить более тысячи спутников в своем первом раунде запусков, чтобы обеспечить почти непрерывный интернет-сервис в Соединенных Штатах и Канаде к концу 2020 года и во всех уголках земного шара в 2021 году.

Эти «мега-созвездия» спутников вызвали тревожные звонки: «Спутники Элона Маск угрожают нарушить ночное небо для всех нас»,— предупредила Washington Post, взывая к знаменитому генеральному директору SpaceX.

Исследователи начали количественно определять масштабы проблемы, и получили не однозначнй ответ. Большую часть ночи большинство новых спутников будут оставаться скрытыми от посторонних глаз, а маленькие телескопы часто не заметят большой разницы. Но большие телескопы, особенно те, которые предназначены для сканирования всего неба, могут столкнуться с проблемами — сообщает исследование, опубликованное на arXiv.org 4 марта.

Астрономы обсуждали эту проблему 8 января во время дискуссионных форумов на встрече Американского астрономического общества (American Astronomical Society) в Гонолулу. Группа обеспокоена тем, что охота на астероиды, которые могут повлиять на Землю, будет затруднена, а мерцающие спутники могут быть ошибочно приняты за взрывающиеся звезды.

«Проблема мега-созвездий в астрономии является серьезной проблемой»,— сказал Патрик Зейтцер (Patrick Seitzer), астрофизик из Мичиганского университета (University of Michigan) в Анн-Арборе (Ann Arbor), изучающий орбитальный мусор. Десятки тысяч новых интернет-спутников могут покрыть Землю в ближайшие годы, многие из них ярче, чем почти все другие искусственные объекты, окружающие планету. Или, как выразился Зейтцер,— «Не унывай, худшее еще впереди».

Шокирующе яркие

С момента запуска Спутника-1 в 1957 году искусственные спутники мешают астрономам. Сегодня, по оценкам NASA, около 20 000 известных искусственных объектов размером больше грейпфрута: спутники, ракетные тела и другие объекты, вращаются вокруг Земли. Их число будет расти, несмотря на опасения по поводу риска столкновений, которые могут поставить под угрозу оборудование и космонавтов. Зейтцер отметил, что из обсерваторий в Чили в любой момент ночного времени видно около 600—700 околоземных объектов.

Солнечный свет, отраженный от металлических поверхностей и солнечных панелей на этих спутниках, может светить в телескоп и либо имитировать, либо скрывать предметы в глубоком космосе. До сих пор астрономам удавалось справляться с этими помехами, снимая несколько изображений и комбинируя их для получения более чистого составного изображения. В некоторых случаях алгоритмы обработки изображений также могут восстанавливать данные, потерянные при проникновении света. Это становится все труднее, так как все больше спутников отправляется в космос. Снижение затрат на запуск, в основном из-за многоразовых ракетных технологий, сделало низкую околоземную орбиту более доступной, чем когда-либо.

SpaceX базирующаяся в Хоторне, штат Калифорния, запустила свои первые 60 спутников Starlink в мае 2019 года. Вторая партия вышла в ноябре и еще три партии были отправлены наверх в первые два месяца 2020 года. В конце концов компания заявляет, что у нее будет начальный флот из 1584 звёздных звеньев на орбите, обеспечивающий почти непрерывную интернет-связь с большинством населенных пунктов мира.

«По оценкам 3,6 миллиарда человек не имеют доступа к Интернету и ООН рассматривает широкополосный доступ в качестве ключевого фактора экономического развития»,— заявила Патриция Купер (Patricia Cooper), вице-президент по вопросам спутникового управления в SpaceX в Вашингтоне, округ Колумбия на январской встрече. «Мы думаем, что космический Интернет может быть полезным для этих целей».

Эта интернет-услуга будет доставляться через наземные устройства размером с коробку для пиццы, которые передают информацию туда и обратно на спутники. Чтобы уменьшить задержки при передаче данных, спутники будут лететь относительно близко к Земле — в несколько десятков раз ближе, чем обычные спутники связи на геосинхронной орбите — орбите, синхронизированной с вращением Земли. Астрономы говорят, что такая связь обходится дорого — ясность нашего ночного неба.

«Нет ничего плохого в том, чтобы интернет доставлялся через эти спутниковые механизмы»,— сказал Крис Импи (Chris Impey), астроном из Университета Аризоны (University of Arizona) в Тусоне. «Но, конечно, мы беспокоимся о побочных эффектах».

Астрономы сразу заметили, что спутники Starlink, запущенные в мае, были потрясающе яркими, намного ярче, чем объекты аналогичного размера, уже находящиеся на орбите. Купер сказал, что даже SpaceX был удивлен. Виновником, кажется, являются поверхности, которые рассеивают свет диффузно, но компания все еще пытается выяснить, что делает спутники настолько ослепительными на фоне неба.

Когда запускается партия, спутники представляются людям на земле в виде «жемчужной нити», прослеживающей небо. Но этот эффект временный. SpaceX запускает свои спутники на относительно низкую орбиту, так что инженеры могут проводить диагностику в течение нескольких недель, прежде чем перемещать спутники на более высокую рабочую орбиту, где они распространяются по всему земному шару и кажутся более тусклыми. Тем не менее, это расстояние может оказаться недостаточным для того, чтобы спутники полностью отошли на задний план.

По словам Зейтцера, даже вдали от нас спутники Starlink «ярче, чем 99 процентов всех объектов, которые сейчас находятся на околоземной орбите». Он проводил компьютерное моделирование, чтобы определить, насколько эти спутники могут повлиять на астрономические наблюдения. По оценкам Зейтцера, для первоначального планируемого парка космических аппаратов SpaceX, состоящего из 1584 спутников Starlink, до девяти спутников будут видны телескопам в Межамериканской обсерватории Cerro Tololo в Чили в течение примерно часа после сумерек и часа до рассвета - и, вероятно, дольше в течение лета ночей. В середине ночи спутники исчезают в тени Земли.

«Астрономы могли бы справиться с этим» и обойти помехи в своих наблюдениях, сказал Зейтцер, - если бы это было общее число ожидаемых запусков новых спутников. Но 1584 спутника - это только начало для SpaceX, и у других компаний связи запланированы свои собственные интернет-спутники.

Неопределенное будущее

SpaceX имеет разрешение Федеральной комиссии по связи США на запуск и эксплуатацию 12 000 спутников Starlink. И компания подала в Международный союз электросвязи в Женеве разрешение на вещание на и более 30 000 человек. Между тем, несколько других компаний стремятся выйти на рынок интернет-спутников. Amazon, например, подала в FCC разрешение на эксплуатацию 3236 спутников. Коммуникационная компания OneWeb имеет первоначальные планы на 650 спутников, хотя генеральный директор Адриан Штекель заявил в феврале Ars Technica, что у него долгосрочные надежды на 5260 человек.

«Это может легко вырасти до 50000 или более», сказал Зейтцер. Вместо шести-девяти спутников Starlink одновременно, астрономам, возможно, придется уклоняться от пары сотен ярких спутников в сумеречные часы.

Но симуляции Зейтцера предполагают, что спутники будут на текущей рабочей высоте SpaceX 550 километров. Лондонский OneWeb, который запустил 34 спутника в начале февраля, добавив к шести, запущенным в 2019 году, выводит свое созвездие на 1200-километровую орбиту, которую SpaceX также рассматривает для последующих запусков. На этой высоте спутники могут выглядеть слабее от Земли. Но это также означает, что большую часть орбиты можно увидеть с земли, что приводит к большему количеству видимых спутников и дольше в ночь.

По словам Зейтцера, в обсерватории Серро-Тололо спутники на более высоких орбитах будут видны всю ночь в течение декабря, когда многие из них не исчезнут в тени Земли. «Мне не нравится это уравнение», - сказал он. «Я бы предпочел, чтобы ущерб был ограничен небольшим временем, а не продолжался всю ночь».

Фактический ущерб исследованиям любого ученого зависит от того, что изучается. Для Клиффа Джонсона количество звездных ссылок в его изображении от 18 ноября удвоило количество непригодных элементов изображения, или пикселей, примерно с 10 до 20 процентов.

«Это раздражает, но не обязательно наносит большой вред науке», - говорит он, ссылаясь на свою работу. Несмотря на их название, карликовые галактики, которые он ищет, выглядят в телескоп относительно большими, поэтому несколько спутниковых полос не уничтожат одно изображение. А опрос Джонсона всегда делает несколько снимков любого участка неба, поэтому есть шанс заполнить потерянные пиксели. «Это не относится ко всему астрономическому сообществу», - говорит Джонсон.

Для астронома Кшиштофа Станека из Университета штата Огайо в Колумбусе полчища ярких спутников в его обзорах телескопа могут стать катастрофой. Станек помогает проводить автоматическое обследование всех сверхновых звезд в небе, сеть из 24 телескопов, которые сканируют небо на предмет взрывающихся звезд. 15 января недавно запущенные спутники Starlink летели на низкой орбите над одним из телескопов, которые использовала команда Станека, оставляя полосы, которые остались на изображении даже после обработки данных, которые обычно сглаживают такие пятна.

«У нас есть изображение с примерно 10 трассами, сопоставимыми по яркости с тем, каким будет отдаленная сверхновая», - говорит Станек. Хотя это еще не типично, «я крайне обеспокоен тем, что, как только [SpaceX достигнет] проектируемого размера сети, множество спутниковых трасс будут пересекать любое данное поле зрения».

Дилемма Рубина

Ученые, работающие над Большим синоптическим телескопом, недавно переименованным в обсерваторию Веры К. Рубин (SN Online: 1/10/20), уже ожидают неприятностей. Начиная с 2022 года обсерватория Рубина, также в Чили, будет снимать каждые три дня всего неба в течение 10 лет.

Но отраженный свет от спутников может испортить сумеречные наблюдения, необходимые для поиска угрожающих Земле астероидов, которые могут приближаться со стороны солнца, говорит Тони Тайсон, астрофизик из Калифорнийского университета в Дэвисе и главный ученый обсерватории. Исследование arXiv.org предполагает, что от 30 до 50 процентов снимков, сделанных в начале и в конце ночи, будут «разрушены».

Новые спутники также могут поставить под угрозу изучение того, как темная материя развивалась в течение космической истории. Это исследование зависит от чувствительных наблюдений слабых галактик, которые могут имитировать некоторые следы спутников.

Недавние эксперименты показали, что звёздные звёзды слишком ярки для детекторов Рубина, говорит Тайсон. Пиксели похожи на маленькие пучки света, которые могут переполняться, приводя к полосам изображения, которые полностью маскируют свет из космоса, и к «полосам призраков», вызванным электрическими помехами с соседними пикселями, которые препятствуют очистке данных.

Исследователи обсерватории работают над трехсторонним исправлением. Они разрабатывают новые алгоритмы для восстановления некоторых потерянных данных в искаженных изображениях. Команда также изучает возможность снижения скорости считывания информации с детекторов изображений, что может снизить электрические помехи между пикселями за счет некоторого замедления наблюдений.

Наконец, группа проверяет, можно ли вообще обойти спутники. При съемке будет использоваться искусственный интеллект для смещения взгляда телескопа с одного участка неба на другой, при этом яркие объекты, такие как луна и спутники, будут находиться вне поля зрения телескопа. Однако полностью заполненная система Starlink может вызвать у ИИ головную боль.

«Это работает как очарование для, возможно, 1000 спутников [Starlink]», - говорит Тайсон. «Как только вы наберете более 10000 спутников, он начнет выходить из строя, а к тому времени, когда вы достигнете 50000 спутников, он окажется в погоне за диким гусем». Команда работает с SpaceX, чтобы включить детали орбиты Starlink в сам ИИ, хотя неясно, насколько это улучшит ситуацию.

Космический Дикий Запад
SpaceX сказал, что это решит проблему с яркостью, и некоторые астрономы с оптимизмом с оптимизмом смотрят на готовность компании участвовать. Один из 60 спутников, запущенных 6 января, был покрыт веществом, которое делает спутник темнее, чем его братья и сестры, и астрономы будут наблюдать, чтобы понять, поможет ли это. Но если темное покрытие работает и делает спутник достаточно слабым для оптических астрономов, ученые, использующие инфракрасные телескопы, могут быть не в восторге - темный спутник поглощает больше тепла, делая его ярче для этих телескопов.

Исследователи, которые менее впечатлены реакцией SpaceX, задаются вопросом, почему компания затмила только один спутник в своем флоте. «Если бы они серьезно относились к этому, они бы прекратили запускать больше спутников», по крайней мере временно, говорит Станек. «Они проведут хорошее научное исследование их воздействия, а затем, возможно, они начнут запуск снова».

Купер, представитель SpaceX, подтвердил на январском совещании в Гонолулу, что компания продолжит запуск неизмененных спутников - четвертая партия вышла 29 января, а пятая 17 февраля. Следующий запуск с Космического центра Кеннеди НАСА на мысе Канаверал, штат Флорида ., запланировано на 14 марта.

Совсем недавно, 9 марта, генеральный директор SpaceX Элон Маск заявил, что Starlink не окажет влияния на астрономические наблюдения. "Нуль. Это мой прогноз », - сказал он на Сателлитной конференции 2020 года в Вашингтоне, округ Колумбия.« Мы предпримем корректирующие действия, если она будет выше нуля ». OneWeb не отвечал на запросы о комментариях, в то время как представитель Amazon заявил, что в настоящее время компания не дает интервью.

Частные компании сталкиваются с небольшим международным надзором за их деятельностью в космосе, поэтому нет гарантии, что SpaceX продолжит работу над этой проблемой или что другие компании будут сотрудничать с исследователями в целях минимизации потенциального ущерба.

И вот в чем суть: когда речь заходит о правилах для частных компаний, космос - это Дикий Запад. Переговоры по разработке правил потребуют сотрудничества между многими странами, возможно, при посредничестве Организации Объединенных Наций, и на это может уйти много лет. Международный астрономический союз заявил в заявлении от 12 февраля, что он будет регулярно проводить краткие заседания Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях, чтобы «привлечь внимание представителей мирового правительства к угрозам, создаваемым любой новой космической инициативой по астрономии и наука в целом ». Но запуск спутников происходит сейчас, поэтому астрономы могут только надеяться, что частные компании воспримут их опасения.

Ученые также понимают, что им необходимо сбалансировать свое стремление к ясному небу с потенциальными преимуществами расширенного Интернета для тех, кто не имеет доступа. На январской встрече Памела Гэй, астроном из Института планетарной науки, который базируется в Эдвардсвилле, штат Иллинойс, спросила докладчиков на одном из панелей конференции: «Как мы спорим, чтобы спасти небо, но не позволить недорогому интернету быть вариантом для отдаленных мест? »

Члены группы согласились с тем, что рой низкоорбитальных спутников является наиболее экономически эффективным способом создания быстрого и надежного интернета во всем мире. Но астрономы также надеются, что компании будут думать о ночном небе как о природном ресурсе, который нужно защищать, как о национальном парке, и минимизируют помехи от интернет-спутников.

«Мы можем объединить эти две вещи», - сказал Раскин Хартли, исполнительный директор Международной ассоциации темного неба в Тусоне. «Нам нужно придумать способ, которым мы можем помочь привлечь социальные группы мира к технологиям и инновациям, которые защищают наследие темного неба по всему миру».

Источник: Science News