卫星公司不添乱的话，鲁宾天文台可能彻底改变天文学格局

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编译：王茸

校对：王婧彧

审阅：缪征一

美编：张荣娜

后台：李子琦

https://www.space.com/space-exploration/satellites/the-rubin-observatory-will-change-the-game-for-astronomy-if-satellite-companies-dont-get-in-the-way

在这张美国国家科学基金会-美国能源部(NSF-DOE)建造的薇拉·鲁宾天文台(Vera C. Rubin Observatory)的长曝光照片中，卫星划过天际。

图源：NSF–DOE Vera C. Rubin Observatory/NOIRLab/SLAC/AURA/W. O'Mullane

2025年6月，我们迎来了一组非凡的太空影像，有位科学家甚至称其配得上“天文电影艺术“的称号。这些影像确实令人难以置信——布满如电视雪花般的斑点，代表着数百万个星系；印着宛如水彩画布的星云；更蕴藏着关于可观测宇宙中最遥远“宇宙悬崖”的数据。

这些是薇拉·鲁宾天文台拍摄的首批天体图像。薇拉·鲁宾天文台可以称得上是人类历史上神奇的新宇宙守望者，配备了全球最大的数码相机和视野极其广阔的望远镜。天文台坐落于智利帕乔恩山之巅，能够以空前效率反复对夜空完整成像。这座天文台有望凭借其望远镜彻底革新天文学，揭示宇宙中那些我们尚未发现却终将领悟的奥秘。

“在我们计划十年运营的首年，实际产生的数据量就将超过整个光学天文学领域迄今积累的总量，这简直令人难以置信。” 参与该天文台工作的天文学家梅雷迪思·罗尔斯(Meredith Rawls)在1月的美国天文学会会议(American Astronomical Society meeting)上这样说。

这一切听起来像一场美梦，但警钟或许也即将敲响。一架接近现代技术极限的地面望远镜，不得不面对另一种在太空发生的科学进步：地球轨道上卫星数量的指数级增长。

截至本文撰写之时，约有14,000颗卫星环绕地球运行——其中近10,000颗属于SpaceX公司——随着商业利益持续增长，这一数字也将激增。例如蓝色起源和欧洲通信卫星公司的OneWeb正效仿SpaceX模式，多家中国企业亦然，而小型初创公司也在筹备自己的项目。SpaceX近期甚至提出在地球轨道建立数据中心的构想，这意味着需要再发射约百万颗卫星进入太空。

因此，珍贵的鲁宾天文台图像可能会受到商业卫星干扰的影响，天文学家称之为“拖痕”。

鲁宾图像的注释版展示了该天文台首张图像中捕捉到的1000万个星系中的部分星系。

图源：RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA

为何卫星拖痕是个大问题

你或许曾听过这个问题，因为卫星干扰天文成像的现象已有大量文献记载。即便在这张来自双子北座望远镜(Gemini North Telescope)的相对不那么重要的图像中，也能清晰看到一条拖曳痕迹。关于为何我们需要警惕地球轨道上日益增多的巨型卫星星座，已有相当数量的研究对此提出警示。

特拉华大学(University of Delaware)科学家费德里卡·比安科(Federica Bianco)在会议上表示：“天文摄影是提升公众对自然世界认知度和激发其探索兴趣的宝贵教育工具。夜空环境往往具有重要文化意义，暗夜观星旅游已被公认为是推动偏远乡村社区可持续发展的关键因素。”

就在本月，西北大学（Northwestern University）的医生和科学家们宣布，他们担心地球轨道上的卫星会扰乱我们的睡眠模式。

“它们改变了夜空，” 罗尔斯(Rawls)说道，“看来，望远镜并非唯一仰望星空的存在。”

尽管卫星对天文观测的干扰早有存在，但鲁宾天文台的观测图像，让这种干扰的实际后果变得更为直观。

“正是那些让鲁宾展现卓越的特性，也使其面临风险，” 罗尔斯(Rawls)表示。“它拥有广阔的视野、极其灵敏的相机，每隔三天就能扫描整个南天——这意味着它将观测到大量人造卫星。”

“如果你只想要一张漂亮的照片，那没问题——你可以用Photoshop把拖痕修掉，” 她说，“但要从中提取科学数据就麻烦多了，因为引入了系统性误差，而这种误差实际上非常、非常难以校正。”

问题的深刻性

今年在凤凰城举行的美国天文学会会议上，鲁宾实验室的科学家团队探讨了卫星轨迹对望远镜观测成果的多种潜在影响。他们的目标就是在问题失控前找到解决方案。

会议室里挤满了人，足见这个话题的紧迫性。

其中一项努力，或许是最显而易见的一项，就是科学家与卫星运营商及制造商合作，协助他们研发能够减轻干扰的航天器。

例如，国际天文学联合会（IAU）建议将人造卫星的亮度控制在7等或更低。若你不熟悉这个已有数百年历史的星等系统：数值越小表示亮度越高。因此0等亮度是5等的100倍，满月亮度约为-12.6等，而太阳亮度则在-27等左右。

“超过这个卫星亮度7级阈值意味着卫星极可能导致像素饱和，使得无法获取卫星正下方的数据，” 国际天文学联合会保护暗夜与静谧天空免受卫星星座干扰中心的成员杰里米·特雷格洛安-里德(Jeremy Tregloan-Reed)表示。

罗尔斯(Rawls)指出，当卫星亮度达到4至5级时，便会造成显著干扰，尤其当图像中存在多颗亮度相近的航天器时。“此时会产生串扰效应，” 她解释道，“相当于在主光迹旁出现多条平行副光迹。”

这张图像捕捉到一颗绕地球运行的人造卫星在穿越哈勃望远镜视野时留下的轨迹，当时望远镜正在观测“双鼠星系”（NGC 4676）中的相互作用星系。专家表示这种干扰尚在可控范围内，但鲁宾望远镜的数据可能就没有这么幸运了。

图源：NASA, ESA, STScI

加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)的安东尼·泰森(Anthony Tyson)指出：“鲁宾任务的真正目标，是发现真正新颖的事物，是那些足以震撼我们认知的新发现，而非那些早已为人所知数十年的事物。这意味着要发现全新类别的天体、全新的宇宙现象。而要在如此庞大的系统性误差中寻觅意外之喜，如同在干草堆里找针，难度倍增。”

卫星公司的责任

罗尔斯(Rawls)提出：“我们或许能协调部分运行状态最佳的卫星，让它们重新调整硬件方向。用卫星术语来说就是改变姿态，这样它们就不会在鲁宾望远镜夜间观测区域产生强烈反光。”

在这方面已取得些许进展，但历史上也存在一些矛盾。例如，并非所有公司都遵守亮度标准。最值得注意的就是由得克萨斯州AST SpaceMobile公司运营的BlueWalker 3卫星亮度超过推荐的7等星标准400倍以上。

BlueWalker 3号卫星划过亚利桑那州基特峰国家天文台上空。

图源：KPNO/NOIRLab/IAU/SKAO/NSF/AURA/R. Sparks

最近，美国国家科学基金会NOIRLab的康妮·沃克(Connie Walker)表示，鲁宾团队已与约16家不同的卫星公司取得联系。“有些公司比其他公司更愿意与我们沟通，” 不过她也提到，刚在会议上与Reflect Orbital公司进行了交流，对方似乎态度很积极。

这是一个极好的征兆，毕竟Reflect Orbital公司的终极目标是在2035年前将超过5万颗卫星送入地球轨道。为何如此？其目的是在地球周围部署反射镜，将阳光折射至地面，进而作为服务出售，按需为地球不同区域提供照明。“这对天文学而言将构成挑战，” 沃克(Walker)表示。

“卫星运营商必须公开分享其位置信息，最好还能透露其姿态状态，这样我们才能预判何时会对我们造成影响”，罗尔斯(Rawls)表示。

沃克(Walker)还解释说，SpaceX已允许团队使用该公司制造卫星星座的材料测试卫星反射率。“他们给我们提供旧卫星，我们可以据此进行建模。”

但归根结底，尽管卫星公司有时愿意沟通，“他们并未全力推进此事，” 沃克(Walker)表示。“作为企业，他们的首要任务是经营，但在力所能及的范围内，他们会提供帮助。”

在托洛洛山美洲际天文台（CTIO）的维克多·M·布兰科4米望远镜上使用DECam设备观测时，天文学家克拉拉·马丁内斯-瓦兹奎兹(Clara Martínez-Vázquez)和克利夫·约翰逊(Cliff Johnson)发现了一个有趣现象。他们拍摄的一张333秒曝光图像中，出现了至少19道光痕。两人迅速推测这些光痕是由一批Starlink卫星造成的。

图源：CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/DECam DELVE Survey

讽刺的是，科学家似乎能通过提供那些不适合天文观测的卫星拖痕图像来帮助卫星运营商。“我们已向包括SpaceX和Planet Labs在内的十多家公司提供数据，” 沃克(Walker)表示。

罗尔斯(Rawls)表示：“我认为这是我们能提供的一项不错的附加服务，因为我们最终并未对任何像素进行编辑。”

也许责任落在了科学家身上

这便引出了第二种方案：设法优化鲁宾望远镜的数据分析，确保卫星轨迹不会妨碍其揭示的惊人数据量。而根据会议发言科学家的说法，这些干扰因素可能相当显著。

考虑卫星如何反射阳光，同时又以极快的速度绕着我们的星球旋转。

“它们绕行速度极快，在近地轨道上每90分钟完成一次公转，因此会形成明亮的轨迹。有时是断续的线条，有时忽隐忽现，有时异常明亮，有时纤细如丝，有时又极其短促，” 罗尔斯(Rawls)解释道。“实际上，随着高度增加，轨迹本身必须变暗才能使鲁宾相机的曝光效果保持一致。这看似违反直觉，毕竟距离越远物体本应越暗，但轨道物体在更高处运行速度减缓，因此轨迹会持续更久。”

为说明这种现象的潜在负面影响，鲁宾天文台太阳系科学合作项目近地天体与星际天体工作组负责人莎拉·格林斯特里特(Sarah Greenstreet)解释了在卫星汪洋中，鲁宾天文台开展的太阳系科学研究可能面临的困境。

该天文台预计将在为期十年的观测任务结束前发现五百万个太阳系新天体。它还将开展一项名为“近日黄昏近地天体微观测“的项目，专门观测那些距离太阳极近的天体。

鲁宾望远镜发现的新小行星群及其首批数据包。

图源：RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA

“我们可能面临数百个移动物体的检测任务，随后需要采集大量图像。因此必须能够识别出在每张图像中，数百个物体间的各个点如何连接、各自朝哪个方向移动，” 格林斯特里特(Greenstreet)在会议上指着这张可视化图像解释道。“如果将人造卫星纳入这幅画面，就会出现大量其他移动物体。”

正如格林斯特里特(Greenstreet)所解释的，为了以高置信度探测移动物体，鲁宾望远镜需要在15天内的四个夜晚拍摄四组图像。但如果这八张图像中哪怕有一张被卫星拖曳痕迹污染了呢？

“我们未能发现那个移动的物体，” 她说。

她还指出一项2022年的研究，该研究模拟了4万颗围绕地球运行的、亮度低于7等的卫星（再次强调，这是推荐的亮度水平）将对鲁宾望远镜的任务，即时空遗产巡天计划（LSST）将产生何种影响。

结论是，在LSST的主要观测区域中，10%至30%的区域会出现卫星拖痕。若将卫星轨道高度降低，则高达50%的曝光图像可能出现拖痕。

研究作者还发现，在黄昏时段，在此类条件下拍摄的每张曝光照片中都可能出现至少一条拖痕。预计约15%本应被鲁宾望远镜发现的近地天体可能因卫星干扰而漏检。“这个比例不算太大，但若能大幅降低我会很欣慰，” 她表示。

她补充说：“当然，需要注意的是，这些数据的前提是卫星亮度低于7等。如果卫星亮度超过这个数值，那么所有数据都会大幅恶化。”

针对罗尔斯(Rawls)关于与卫星运营商合作的观点，格林斯特里特(Greenstreet)还解释道：在将鲁宾望远镜指向特定夜空区域前，若能预先掌握卫星位置——尽管这会牺牲约10%的LSST观测时间——可将出现拖痕的主观测区域数量减半。针对黄昏时段的专项观测同样存在希望，因为该时段拍摄的图像更多。这意味着通过备用图像实现所需四组图像配对的概率更高。

“我们非常担心那些在单次曝光中会出现、但在第二次曝光中可能不会显现的现象，” 比安科(Bianco)说。

“事实上，此前已有研究宣称在红移值z=11处发现了[伽马射线暴]。（注：红移值衡量光线在抵达望远镜途中被拉伸的程度。红移值11意味着极其古老的光源——该光源在大爆炸后仅约4亿年便开始辐射。） 后来证实那只是卫星留下的轨迹。”

这张图像由薇拉·鲁宾天文台在短短七个多小时的观测时间内拍摄的678张独立图像合成而成。通过这种方式将大量图像叠加，清晰呈现了原本微弱或不可见的细节，例如构成三裂星云（右上角）和礁湖星云的气体与尘埃云团——这些天体距离地球数千光年之遥。

图源：NSF-DOE Vera C. Rubin Observatory

罗尔斯(Rawls)表示，她的团队正在开发一个数据库，用于标注在分析鲁宾数据时，卫星干扰可能导致的拖痕和闪光的落点位置。

该方案旨在让科学家在观测已知存在卫星轨迹区域的天体时保持警惕，“这样就能更清楚地判断何时需要谨慎对待发现。比如'哇，我们发现了前所未见的新超新星'。随后你可能会意识到'噢，它恰好出现在卫星轨迹区……或许这只是卫星反光造成的假象'。” 她解释道。

“克里斯·斯塔布斯(Chris Stubbs)提出这样一个构想：沿智利山脊线部署多台地面小型望远镜，通过观测卫星轨迹移动产生的影响来获取数据，” 但泰森(Tyson)指出：“我认为让多台LSST望远镜分别观测不同角度的做法既不合理，也不具成本效益。”

尽管这场对话未能提出任何超越已讨论进展的可行解决方案，如同罗尔斯(Rawls)的工作那样，但整个会议室都强烈感受到一个清晰的信息，那就是紧迫感。

鲁宾天文台运营部代理主任鲍勃·布卢姆(Bob Blum)表示：“这里现在已成为一座运作中的天文台。”

“每晚——每分钟——都弥足珍贵。”

责任编辑：周英杰

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

这组由14台不同相机拍摄的图像合集，记录了2025年2月22日夜间各类卫星的活动轨迹。每道轨迹均代表一颗卫星划过天际的运动轨迹。

图源：U.Western and Defence R&D Canada

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