人造卫星会对射电天文学构成威胁吗

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编译：王茸

校对：蔡贺菁 王婧彧

审阅：李宜骅

后台：胡永葳

美编：李鸣晨

原文链接：https://www.universetoday.com/articles/could-satellites-endanger-radio-astronomy

Satellite mega constellations could place"radio quiet" in jeopardy.Credit: NOIRLab/NSF

卫星“巨型星座”可能危及"无线电静默"状态。图像来源：NOIRLab/NSF

多年来，商业航天领域一直在热议地球轨道上卫星"巨型星座"(大量卫星在天空中排列构成的人造“星座”)的潜力。这些卫星提供从通信、导航到宽带互联网服务等全方位功能。与此同时，小型卫星（即立方体卫星）和共享发射计划的进展，使航天活动对研究机构、大学和组织变得更加开放。随着轨道上卫星数量的激增，许多人开始担忧这可能增加太空垃圾，影响天文学研究。

射电天文学，即观测天体极微弱的辐射，可能因轨道上新增的卫星而受到影响。这一结论来自近期一篇由国际研究团队发表的论文，该论文探讨了巨型卫星星座对射电天文学的影响。尽管许多科学家提议在月球背面建立射电观测站，但为确保未来能够继续获得"黑暗"和"宁静“的天空，仍需对卫星传输对射电望远镜的影响进行更全面的理解。

该研究由伦敦帝国理工学院Blackett实验室(Blackett Laboratory at Imperial College London)的博士后研究员迈克·皮尔（Mike Peel）领衔，他同时也是国际天文学联合会（IAU）"保护黑暗与宁静天空免受卫星星座干扰中心"（CPS, Centre for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference）下属的Sathub项目的联合负责人。该研究团队还包括Blackett实验室的同事以及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)、华盛顿大学和平方千米阵列望远镜（SKA，Square Kilometer Array Observatory）的科研人员。描述其研究成果的论文在第九届欧洲空间碎片会议（European Conference on Space Debris）上发表，并收录于会议论文集网站。

简而言之，射电天文学依赖于多种不同类型的天线和接收器，以不同分辨率和频率观测天空。这些观测使天文学家能够观察到"隐蔽的宇宙"，，在那里，星际尘埃和碎片阻挡了可见光。传统的射电望远镜被动运行，以与依赖无线电频谱的其他设备（如通信传输等）共存。天文台通常建在偏远地区，以避免无线电干扰（RDI）并提高信噪比（SNR）。

这包括位于新墨西哥州沙漠中的甚大阵列（VLA，Very Large Array），以及位于南非卡鲁沙漠和澳大利亚默奇森地区的平方千米阵列观测站（SKA，Square Kilometer Array Observatory），或是位于智利北部阿塔卡马沙漠的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA，Atacama Large Millimeter-submillimeter Array）。国际电信联盟（ITU, International Telecommunication Union）还保留了一些涉及特定固定频率的谱线和物理过程的小型频率带。正如皮尔解释的那样：

“‘无线电静默区’有时会由政府在射电天文台周边立法设立，以尽量减少附近地面无线电传输。然而，卫星星座的本质决定了它们是全球性的——地球上任何地方都无法逃避它们的影响。虽然部分卫星运营商已与相关方达成协议以避开某些无线电静默区，但这仍未广泛实现。正因如此，理解其传输（无论有意还是无意）对射电天文仪器的影响至关重要。”

传统意义上，卫星的传输频率限制在无线电频谱中的X、Ku和K频段（10至20 GHz）。然而，随着低地球轨道（LEO）卫星数量的增加以及卫星运营商将服务扩展到更广泛的频率范围，这一情况将发生变化。尽管月球背面被视为无线电天文学的理想遥远地点，但要实现这一目标，必须确保该地点不受卫星传输的干扰。

因此，了解卫星星座的射频（RF）特性对于地球上和月球背面远程射电观测站的持续运行至关重要。但正如皮尔所解释的，这具有挑战性，因为目前从卫星运营商那里获得的信息非常有限：

"关于卫星及其发射器的许多信息属于商业机密。我们知道它们主要使用的传输频段，以及在这些频段中允许传输的最大功率（功率可能极高——在这些频率下，它们甚至可能比太阳更亮！）。然而，我们对频段外的传输知之甚少。例如，在官方分配的传输频段两侧可能存在一些泄漏，或者由机载电子设备引起的意外发射，我们可以在低频段检测到这些信号，甚至在400公里外也能探测到！"

另一个挑战是，已公布的卫星位置往往会出现几分之几度的偏差（角分），而即使是微小的差异也可能产生显著影响。虽然一些射电望远镜会避免观测与预测轨道路径重叠的天空区域，但随着轨道中卫星数量的剧增，这一问题将变得愈发棘手。

"目前已有超过100万颗卫星被提议给国际电信联盟（ITU），尽管其中并非所有卫星都会发射，"皮尔表示。"我们预计未来几年内将有5万至20万颗卫星进入轨道！"

幸运的是，通过国际天文学联合会（IAU）的空间计划与协调委员会（CPS）、射电天文学频率委员会（CRAF, Committee on Radio Astronomy Frequencies）以及全球其他相关射电天文学组织，对卫星无线电干扰的研究得以开展。此外，还举办了多次专家会议来讨论这一问题，例如卫星星座1（SATCON 1, Satellite Constellations 1）和SATCON 2研讨会，以及黑暗与宁静的天空I和II(Dark and Quiet Skies I and II)会议。关于超频段传输的问题，也曾在由国际天文学联合会（IAU）射电天文学频率委员会（CPS）的人员主导的一项研究中被探讨。

研究团队利用低频阵列（LOFAR，Low Frequency Array）射电望远镜观测了68颗Starlink卫星，以寻找"意外电磁辐射"的迹象。观测结果显示，这些卫星在110至188兆赫（MHz）的频率范围内发射辐射，远低于用于下行链路通信信号的10.7至12.7千兆赫（GHz）射电频率。正如皮尔(Peel)所说，这项最新研究表明，卫星可以在整个电磁频谱范围内被观测到：

"在无线电频率范围内，它们在主动传输的频率上特别明亮，而这些频率正在增加并向更高频率发展。每个新的卫星星座都希望获得自己的频率和越来越多的带宽。使用的频率越多，无线电天文学观测受到的影响就越大。它们在低频段也能被观测到，尽管它们并未在该频段主动传输。然而，卫星上的电子设备会产生一种无线电'嗡嗡声'，被低频无线电望远镜检测到。"

遗憾的是，目前尚无完美的缓冲策略，且要求卫星不得在地面无线电望远镜可见的地平线以上运行（从地面无线电望远镜观察）完全不切实际。但通过国际天文学联合会（IAU）的空间政策委员会（CPS）以及国际电信联盟（ITU）和联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）等国际组织之间的积极合作，可以最大限度地减少这些影响——COPUOS是联合国外层空间事务办公室（UNOOSA）的一部分。与此同时，现有的缓冲策略正在逐步形成。

"多家运营商正在探讨运营数据共享，尤其是避开射电望远镜的指向方向，即运营商知晓射电望远镜的指向方向，并在卫星经过望远镜光束时关闭卫星，"皮尔说。"一些运营商还避免向射电望远镜站点发送信号，某些国家正在制定立法，要求卫星运营商与国家研究机构协调，以最大限度地减少影响。为避免低频辐射，更好的射频屏蔽和地面卫星测试正在被研究。"

责任编辑：杨伯顺

牧夫新媒体编辑部

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海量人造卫星构成的“巨型星座”

图像来源：iop.org

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