卫星会削弱地面天文学吗?

企业家马斯克在2002年创立的太空技术公司SpaceX于2015年开始探索将数千颗通信卫星送入近地轨道(LEO)，并于2018年2月22日发射了首批两颗“星链”卫星。然而，2019年5月23日首次大规模发射的60颗星链卫星却让天文学家措手不足，天文照片显示，卫星上的条纹覆盖了整个天空，造成了光污染。

新一代望远镜有望在深宇宙研究方面取得重大进展。然而为了完成他们的任务，这些天文台依赖于晴朗、黑暗的天空。“直到我们看到60颗恒星聚集在天空中，我们不知道它们有多亮，也不知道它们的影响。”亚利桑那州图森市美国国家科学基金会(NSF) NOIRLab的科学家康斯坦斯·沃克说。

天文学界感到震惊，并为没有看到即将发生的事情而感到尴尬，他们立即联系了SpaceX，沃克说该公司做出了亲切的回应。从那以后，天文学家和SpaceX的工程师们一直在合作，以了解卫星为什么会反射这么多光，它们会如何影响天文学，以及如何减少这种影响。近两年来自从星链发射造成了冲击，与此同时天文学会组建了两个独立研究小组强调需要采取紧急行动来解决这个问题。如果这个问题得不到解决，会给下一代地面望远镜对深空的探索带来新的麻烦。

太空工业的繁荣

虽然SpaceX在太空商业化和卫星方面处于领先地位，但它也有很多同行。在2019年发射前几周，《Aviation Week & Space Technology》报道称，32家公司计划向近地轨道发射总计13529颗通信卫星。据估计，到去年天文学界举办研讨会时提到的近地轨道通信卫星的总数已经迅速增长到大约10万颗。

2018年，美国联邦通信委员会(FCC)批准部署4425颗星链卫星，运行轨道范围从550公里到1325公里。后来，在轨道低至340公里上获批的数量增加到12000。(SpaceX已宣布计划再建造3万个星链)该机构的主要兴趣在于改善美国服务不足地区的宽带互联网服务。但星链服务将是全球性的。激光链路将在卫星之间传输信号，无线电发射机将卫星与地面终端连接起来。

一家名为OneWeb的英国公司也在建立星链来追逐同样的市场。该公司在2020年3月破产时，最初计划的47844颗卫星中只有74颗发射成功。天文学家希望该计划失败，但后来英国政府获得了部分所有权，并在2020年11月帮助OneWeb摆脱了破产，并在12月支付了额外的36颗卫星发射费用。2021年1月，OneWeb获得外部资金，完成了一个由648颗卫星组成的缩小版星链，他们目前的计划是以后将星链扩大到6372个。

另一个熟悉的名字是亚马逊，它计划在近地轨道发射3236颗卫星，但到目前为止还没有发射，也没有公布任何时间表。AST SpaceMobile和Swarm等初创公司计划用100多颗卫星组成更小的卫星群，瞄准移动通信和物联网等利基市场。据报道，中国的公司也有自己的计划，向国际电信联盟(International Telecommunications Union)提交了12992颗卫星的申请，还有其他一些计划也在酝酿之中，但具体数量难以确定。

一种新的光污染

空间技术为天文学家提供了一个重要的观测站，在地球模糊的大气层之上，最著名的是哈勃太空望远镜和下一代项目，如昂贵、复杂的韦伯太空望远镜。地面望远镜更便宜、更大，而且可以通过自适应光学获得显著的清晰度。这类望远镜的新一代将在未来十年上线，这将为深宇宙的研究带来巨大的进展。然而为了完成他们的任务，这些新天文台依赖于晴朗、黑暗的天空。过去为了避免光污染，会把天文台设在偏远、黑暗的地区，比如智利的阿塔卡马沙漠，或者夏威夷的莫纳克亚山。现在，来自卫星的光污染第一次威胁到基于地球的天文学的天空视图，而且偏远的位置使其无处躲避。

尤其受到威胁的是智利山区海拔8.4米的薇拉·鲁宾天文台。鲁宾望远镜拥有世界上所有相机中最大的集光率，以及3200万像素的成像相机。该相机是为在智利反复扫描整个天空而建造，每30秒聚焦9.6平方度的天空，记录下令人难以置信的微弱24.5级的物体。(在天文学中，星等数越低，物体越亮。在非常黑暗的夜晚，用肉眼能看到的最微弱的星星是7级;太阳的星等为负，为-26.74。)

薇拉·鲁宾天文台的首席科学家托尼·泰森说，LSST（大口径全景巡天望远镜）将产生大量用于科学分析的数据，这使得它特别容易受到卫星沿着常规轨道穿越天空的轨迹产生的系统误差的影响。此外，该相机使用极低噪声的电荷耦合器件(CCD)探测器来观察超暗光源，这使得它容易受到“晕光”效应的影响。如果强光饱和了一个像素，它将会抹掉整个传感器柱记录的数据。

即使卫星的亮度可以降低，灵敏的相机也会记录那些必须被掩盖以免模糊图像的轨迹。泰森警告称，这将增加观测所需的时间。在550公里轨道上拍摄的三角秒宽的卫星图像将不可避免地抹掉此类灵敏望远镜的数据。除了阻碍对深空的观测，这可能会影响到鲁宾天文台的另一项主要任务——搜寻有潜在威胁的近地小行星和彗星。

与散射的阳光的竞争

2019年年中，天文学家第一次意识到SpaceX星座的威胁时，很明显这些卫星将阳光反射到地球上，但细节尚不清楚。早期的一个好消息是，随着卫星从最初380公里的停放轨道移动到最终550公里的海拔高度，散射的阳光有所减弱。SpaceX解释说，减少的原因是调整了太阳能电池，以便在最后的轨道上更有效地跟踪太阳。但是，这只使平均测量的目视星度降低到4.63，使卫星可以被肉眼看到，但光污染严重的地区除外。

接下来，SpaceX试图将用于卫星无线电天线的弥漫白色材料调暗，以使其在轨道上保持冷却。这些“暗卫星”在下一次星链大规模发射时升空，显示太阳散射比标准星链低55%，减少了大约0.77个星度，这并不如期望的那么多。而卫星表面变暗也会导致不必要的加热和红外反射率的增加，这对近红外观测来说是一个潜在的问题。

星链不寻常的形状提供了其他可能的方法来减少反射。卫星由两个基本平坦的组件组成，它们可以沿着连接处弯曲:一个包括天线、发射器和电路的“底盘”，以及一个包含太阳能电池的扁平金属框架。这种巧妙的设计成为可能是减少反射的光发射后一个星期内通过改变态度的卫星运行轨道飞行途中,这样薄的太阳能电池板只面对太阳和一个非常狭窄的区域可以阳光反射到地面。根据SpaceX的建模，一旦进入运行轨道，太阳能电池板面向太阳收集能量，当太阳照亮卫星底部时，就会出现明亮的反射。这种几何结构只在黄昏时发生，即太阳在地平线以下，而卫星还没有处于地球的阴影中，所以阳光以较低的角度照射到卫星底部，可以反射到地面上。

由于这种奇特的几何结构，反射光的亮度不会像其他卫星那样随相位角而变化。这种不寻常的几何形状也为SpaceX在卫星边缘添加遮光边缘或“遮阳板”提供了可能。遮阳板可以打开来阻止阳光照射到天线上，否则天线可能会反射阳光，还可以避免暗面吸收光线时产生的热量。(遮阳板在光学上是不透明的，但对必须到达天线的无线电频率来说是不透明的。)

2020年6月4日，第七批星链发射了第一颗“VisorSat”。在卫星到达550公里轨道后的430次观测中，美国马里兰州的退休天文学家Anthony Mallama发现VisorSat的目视星度为5.92-1.29，比最初星链设计的4.63要弱。这意味着VisorSat的反射光仅为原始设计的31%，Mallama称之为“显著改进”(尽管它在黑暗的天空中仍然清晰可见)。自2020年8月7日第9次大规模发射以来，SpaceX的所有星链都使用VisorSat设计，并表示其卫星运行的大部分阶段的目标是7级或更弱。

轨道的问题

尽管做出了这些努力，但到2020年年中，天文学家看到了越来越多被卫星轨迹污染的夜空图像。14个月前，科学家们还期待着一个探索黑暗天空的新时代的到来，但现在他们担心，强大的光会使他们最新最强大的望远镜失明。 为了评估的潜在影响，以及如何减少卫星们的影响，天文学家们齐聚两个线上研讨会。一是SATCON1，由美国天文学会(AAS)和国家科学基金会于6月29日至7月2日召开。另一个是由国际天文联合会于10月5日至9日举办的“科学与社会的黑暗和宁静天空”会议的一部分。SATCON1确定了六种潜在的减轻威胁的方法，从模拟(不发射任何卫星)到数字(计算机处理以消除卫星痕迹)。

特别是，两个研讨会都建议避免600公里以上的轨道。OneWeb已经有了1200公里的卫星，其他一些公司也计划了类似的轨道。与低海拔地区相比，在这些高度的航天器对地面反射的光更少，望远镜将光聚焦到更小的点上。但是在1200千米的卫星会将太阳光整夜反射到地球上，不像600千米以下的卫星，它们在午夜会在地球的阴影中停留几个小时。

这对不同的项目有不同的含义。截至2021年2月，SpaceX有超过1000颗星链卫星在近550公里的轨道上运行。它已经获得了联邦通信委员会(FCC)的批准，可以在1100至1325公里的4个轨道上运行2800多个星链，但在与天文学家交谈后，它要求该机构让它们在550公里的轨道上运行。(到目前为止，FCC还没有采取行动。)亚马逊尚未发射卫星，但它表示根据研讨会的建议，它为计划中的3236颗卫星选择了590和630公里的轨道。OneWeb在1200公里处部署的卫星，在其航天器在短臂上安装了微波天线，在长臂上安装了一对大型太阳能电池板，使它们具有与星链不同的反射轮廓。Mallama测量了已经在轨道上运行的OneWeb飞船的平均亮度为7.58级，标准差为0.7，这可能是因为它们复杂的形状。这比550公里处的VisorSat要暗1.6个数量级，但由于更高的轨道OneWeb卫星在夜间大部分时间都可以被看到。

根据哈佛史密森天体物理中心的Jonathan McDowell的模拟，这对天文学家来说是一个更大的问题。模拟得出的结论是，在1200公里处的卫星对专业天文学的影响要比在较低高度的大得多。他认为，星链确实很烦人但可以控制，而OneWeb让望远镜无处可躲。

OneWeb的高级技术总监Maurizo Vanotti在2021年1月14日的AAS线上会议上表示，该公司计划在1200公里处完成其648颗卫星的第一代卫星部署。移动现有的卫星是不现实的，而剩下的航天器的设计其中许多已经建成，如果需要改变轨道在600公里以下，那就等于从头再来。Vanotti表示，OneWeb追求“负责任的空间设计”，但没有透露细节。

“太空很大”的谬论

卫星通信和天文学一直在使用同一个空间，但直到第一批60颗星链照亮了天文学家面前的天空，他们才意识到它们可能会产生干扰。随着大多数卫星积极地发射无线电波用于通信，射电天文学面临着更棘手的问题。与此同时，大量私人管理的新卫星也增加了另一个威胁:太空碰撞。1978年，美国国家航空航天局(NASA)的科学家Donald J. Kessler根据20年的军事太空跟踪数据提出，近地轨道太空垃圾正在累积到一定程度，高速碰撞可能最终威胁到人类的太空活动。随后，Kessler警告说，不断积累的碰撞碎片可能会导致连锁反应，将卫星撕碎成碎片，这被称为可怕的“Kessler综合症”。

NASA自1979年以来一直在追踪太空碎片，并定期发出警告，要求哈勃空间望远镜、国际空间站和其他卫星远离危险物体。目前已知的唯一两颗卫星相撞事件发生在2009年2月10日，当时一颗铱星在789公里高空以11.7公里/秒的速度与一颗失效的俄罗斯Kosmos军用通信卫星相撞。这一事件散落了近2300块碎片，大到足以从地面上追踪到。2019年9月，欧洲航天局不得不将其风测卫星(Aeolus)移离几个月前发射的60颗星链中的某颗卫星。

碰撞和近距离接触取决于航天器的数量和大约20万颗的轨道碎片，目前只有大约2万颗是可追踪的。迄今为止，几乎所有的近距离接触都涉及航天器和碎片，但随着卫星数量的增加，这种情况将会改变。空间标准与创新中心2019年末的一项模拟发现，拥有6万艘近地轨道航天器，可能会使航天器之间的近距离接触增加到每年约40次，这还不包括那些涉及大量无法控制、基本上无法追踪的空间碎片的接触。

不幸的是，预测未来卫星星座的增长是困难的，因为基于新闻发布、新闻报道和监管文件的估计是不断变化的。一方面，计划中的电信系统往往因缺乏资金、监管审批或需求而失败。另一方面，发射成本的下降使更多的企业在通信、教育和其他应用领域开始使用低地球轨道。无论数量如何，一旦进入太空，这些企业将共享一个日益充斥着卫星和空间碎片的区域，这些碎片包括了从油漆碎片到报废的火箭。

由于这些不可估量的因素，低轨道卫星的预期数量会随着时间而变化。据密歇根大学天文学家Pat Seitzer称，到2020年夏天， Analytical Graphics 预计，到2029年，低轨道通信卫星的总数将达到10.7万颗。然而，当OneWeb在进行破产程序缩减其计划时，估计数量下降到了8万左右。

空间安全联盟是一个包括太空公司、政府机构和其他组织在内的组织，其负责人Dan Oltrogge指出，只需要几年的时间，目前看到的申请的卫星可能有20%就会升空，这很难预测，但它是决定是否会出现问题的关键因素。但可以肯定的是，仅在过去三年里，某些轨道上的活动卫星之间的连接(近距离接触)的数量就比过去十年增加了一倍之多。 目前，虽然可以追踪运行中的卫星和大型碎片，计算它们的轨道，但仍没有自动控制系统可以避免碰撞。

保护太空环境

不幸的是，太空环境保护陷入了一个巨大的法律漏洞。在美国，1969年的《国家环境政策法》为环境保护建立了一个广泛的框架，但允许政府机构决定自己的责任。1986年，联邦通信委员会逃避责任，只对野生动物保护区等特殊地点、高强度照明以及人体暴露在危险的射频能量下的环境负责。 这种豁免现在正受到挑战。2020年12月，正在建造军用近地轨道通信卫星的Viasat公司对SpaceX公司提出的在600公里轨道上发射更多星链的请求提出了反对，因为拥挤会导致碰撞污染太空环境，还可能会影响Viasat自己的航天器。这一挑战名义上是为了保护太空环境，但却阻碍了联邦通信委员会批准SpaceX将其卫星送入天文学家青睐的较低轨道的请求。

另一个挑战是在2021年3月，四个团体发出紧急请愿，要求联邦通信委员会将低轨道发射推迟180天，并暂停向SpaceX提供8.86亿美元的赠款计划。天文学家以保卫天文天空基金会为代表，其他团体包括反对5G无线网络、无线电传输和太空军事化的人士。这些团体提倡宽带光纤传输，认为它是卫星无线电网络的一种经证实和经济的替代方案。 事实上，尽管在低轨道星座上投入了大量资金，但目前还不清楚它们能否为那些目前没有服务的卫星星座提供负担得起的宽带互联网，这被吹捧为它们的主要潜在好处。美国华盛顿大学的天文学家Meredith Rawls 和他的同事们写道：“不可否认，我们需要高速、可访问、价格合理的互联网服务，但企业卫星星座并不是人道主义项目。”该集团认为，SpaceX计划的每月80美元的订阅费“对所有最需要访问的国家来说都是无法接受的”，而且还不包括每个用户100 - 300美元的安装费用。

文化和夜空

这个问题远不止是保护地面天文学免受光污染。一些备受瞩目的天文台建造在了被土著群体视为神圣的土地上，如在夏威夷莫纳克亚山的30米望远镜项目，这遭到了土著群体的反对。这使得许多天文学家对他们的航天器对自然及土著居民的影响更加敏感。对这些团体中的许多人来说，天空和星座本身以及放置望远镜的山脉都是他们文化的一部分。

旧金山大学的宇宙学家Aparna Venktesan的母语是泰米尔语，他在印度和新加坡长大，是在1月份的AAS会议上发言的天文学家之一。她将太空和天空描述为全人类的“祖先的全球公地”。她认为卫星通信行业发展非常迅速。但需要所有利益相关者进行缓慢、谨慎的合作。

当然，SpaceX推销其星链系统的部分原因是，它有能力将宽带互联网带给世界各地更广泛的人群。2020年底，该公司在美国华盛顿州西北部的一个偏远保留地对霍族(Hoh Tribe)成员进行了星链的beta测试。那些没有宽带的部落成员写道，他们“感觉就像拿着勺子在上游划桨一样。”

但是，尽管卫星星座技术看似可行，但它从未在SpaceX承诺的规模、复杂性和带宽上运行。它也面临着触发Kessler综合症的真正风险。相比之下，高速光纤已经建立，具有接入更多骨干带宽的潜力，挑战在于如何使其更多的服务于分散的人口。这种情况向全世界提出了一个亟需回答的重要问题:建立一条风险更大但可能更便宜的通用宽带捷径的前景值得让卫星编队在天空中穿梭吗？有些人认为，在夜晚抬头思考“外面”可能是什么，这是我们成为人类的部分原因。美国国家射电天文台的Harvey Liszt说:“如果不能走出户外，看到平静的夜空，我不知道人类将会发生什么。”

图: 计算比较了星链2代卫星的能见度(在夏天，维拉·鲁宾天文台的位置)，其中大部分在350公里高度，以及OneWeb计划的第二阶段，该计划将把数万颗卫星放置在1200公里更高的高度。

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企业家马斯克在2002年创立的太空技术公司SpaceX于2015年开始探索将数千颗通信卫星送入近地轨道(LEO)，并于2018年2月22日发射了首批两颗“星链”卫星。然而，2019年5月23日首次大规模发射的60颗星链卫星却让天文学家措手不足，天文照片显示，卫星上的条纹覆盖了整个天空，造成了光污染。 新一代望远镜有望在深宇宙研究方面取得重大进展。然而为了完成他们的任务，这些天文台依赖于晴朗、黑暗的天空。“直到我们看到60颗恒星聚集在天空中，我们不知道它们有多亮，也不知道它们的影响。”亚利桑那州图森市美国国家科学基金会(NSF) NOIRLab的科学家康斯坦斯·沃克说。 天文学界感到震惊，并为没有看到即将发生的事情而感到尴尬，他们立即联系了SpaceX，沃克说该公司做出了亲切的回应。从那以后，天文学家和SpaceX的工程师们一直在合作，以了解卫星为什么会反射这么多光，它们会如何影响天文学，以及如何减少这种影响。近两年来自从星链发射造成了冲击，与此同时天文学会组建了两个独立研究小组强调需要采取紧急行动来解决这个问题。如果这个问题得不到解决，会给下一代地面望远镜对深空的探索带来新的麻烦。 太空工业的繁荣 虽然SpaceX在太空商业化和卫星方面处于领先地位，但它也有很多同行。在2019年发射前几周，《Aviation Week & Space Technology》报道称，32家公司计划向近地轨道发射总计13529颗通信卫星。据估计，到去年天文学界举办研讨会时提到的近地轨道通信卫星的总数已经迅速增长到大约10万颗。 2018年，美国联邦通信委员会(FCC)批准部署4425颗星链卫星，运行轨道范围从550公里到1325公里。后来，在轨道低至340公里上获批的数量增加到12000。(SpaceX已宣布计划再建造3万个星链)该机构的主要兴趣在于改善美国服务不足地区的宽带互联网服务。但星链服务将是全球性的。激光链路将在卫星之间传输信号，无线电发射机将卫星与地面终端连接起来。 一家名为OneWeb的英国公司也在建立星链来追逐同样的市场。该公司在2020年3月破产时，最初计划的47844颗卫星中只有74颗发射成功。天文学家希望该计划失败，但后来英国政府获得了部分所有权，并在2020年11月帮助OneWeb摆脱了破产，并在12月支付了额外的36颗卫星发射费用。2021年1月，OneWeb获得外部资金，完成了一个由648颗卫星组成的缩小版星链，他们目前的计划是以后将星链扩大到6372个。 另一个熟悉的名字是亚马逊，它计划在近地轨道发射3236颗卫星，但到目前为止还没有发射，也没有公布任何时间表。AST SpaceMobile和Swarm等初创公司计划用100多颗卫星组成更小的卫星群，瞄准移动通信和物联网等利基市场。据报道，中国的公司也有自己的计划，向国际电信联盟(International Telecommunications Union)提交了12992颗卫星的申请，还有其他一些计划也在酝酿之中，但具体数量难以确定。 一种新的光污染 空间技术为天文学家提供了一个重要的观测站，在地球模糊的大气层之上，最著名的是哈勃太空望远镜和下一代项目，如昂贵、复杂的韦伯太空望远镜。地面望远镜更便宜、更大，而且可以通过自适应光学获得显著的清晰度。这类望远镜的新一代将在未来十年上线，这将为深宇宙的研究带来巨大的进展。然而为了完成他们的任务，这些新天文台依赖于晴朗、黑暗的天空。过去为了避免光污染，会把天文台设在偏远、黑暗的地区，比如智利的阿塔卡马沙漠，或者夏威夷的莫纳克亚山。现在，来自宇宙飞船的光污染第一次威胁到基于地球的天文学的天空视图，而且偏远的位置提供了无处躲避的机会。 尤其受到威胁的是智利山区海拔8.4米的薇拉·鲁宾天文台。鲁宾望远镜拥有世界上所有相机中最大的集光率，以及3200万像素的成像相机。该相机是为在智利反复扫描整个天空而建造，每30秒聚焦9.6平方度的天空，记录下令人难以置信的微弱24.5级的物体。(在天文学中，星等数越低，物体越亮。在非常黑暗的夜晚，用肉眼能看到的最微弱的星星是7级;太阳的星等为负，为-26.74。) 薇拉·鲁宾天文台的首席科学家托尼·泰森说，LSST（大口径全景巡天望远镜）将产生大量用于科学分析的数据，这使得它特别容易受到卫星沿着常规轨道穿越天空的轨迹产生的系统误差的影响。此外，该相机使用极低噪声的电荷耦合器件(CCD)探测器来观察超暗光源，这使得它容易受到“晕光”效应的影响。如果强光饱和了一个像素，它将会抹掉整个传感器柱记录的数据。 即使卫星的亮度可以降低，灵敏的相机也会记录那些必须被掩盖以免模糊图像的轨迹。泰森警告称，这将增加观测所需的时间。在550公里轨道上拍摄的三角秒宽的卫星图像将不可避免地抹掉此类灵敏望远镜的数据。除了阻碍对深空的观测，这可能会影响到鲁宾天文台的另一项主要任务——搜寻有潜在威胁的近地小行星和彗星。 与散射的阳光的竞争 2019年年中，天文学家第一次意识到SpaceX星座的威胁时，很明显这些卫星将阳光反射到地球上，但细节尚不清楚。早期的一个好消息是，随着卫星从最初380公里的停放轨道移动到最终550公里的海拔高度，散射的阳光有所减弱。SpaceX解释说，减少的原因是调整了太阳能电池，以便在最后的轨道上更有效地跟踪太阳。但是，这只使平均测量的目视星度降低到4.63，使卫星可以被肉眼看到，但光污染严重的地区除外。 接下来，SpaceX试图将用于卫星无线电天线的弥漫白色材料调暗，以使其在轨道上保持冷却。这些“暗卫星”在下一次星链大规模发射时升空，显示太阳散射比标准星链低55%，减少了大约0.77个星度，这并不如期望的那么多。而卫星表面变暗也会导致不必要的加热和红外反射率的增加，这对近红外观测来说是一个潜在的问题。 星链不寻常的形状提供了其他可能的方法来减少反射。卫星由两个基本平坦的组件组成，它们可以沿着连接处弯曲:一个包括天线、发射器和电路的“底盘”，以及一个包含太阳能电池的扁平金属框架。这种巧妙的设计成为可能是减少反射的光发射后一个星期内通过改变态度的卫星运行轨道飞行途中,这样薄的太阳能电池板只面对太阳和一个非常狭窄的区域可以阳光反射到地面。根据SpaceX的建模，一旦进入运行轨道，太阳能电池板面向太阳收集能量，当太阳照亮卫星底部时，就会出现明亮的反射。这种几何结构只在黄昏时发生，即太阳在地平线以下，而卫星还没有处于地球的阴影中，所以阳光以较低的角度照射到卫星底部，可以反射到地面上。 由于这种奇特的几何结构，反射光的亮度不会像其他卫星那样随相位角而变化。这种不寻常的几何形状也为SpaceX在卫星边缘添加遮光边缘或“遮阳板”提供了可能。遮阳板可以打开来阻止阳光照射到天线上，否则天线可能会反射阳光，还可以避免暗面吸收光线时产生的热量。(遮阳板在光学上是不透明的，但对必须到达天线的无线电频率来说是不透明的。) 2020年6月4日，第七批星链发射了第一颗“VisorSat”。在卫星到达550公里轨道后的430次观测中，美国马里兰州的退休天文学家Anthony Mallama发现VisorSat的目视星度为5.92-1.29，比最初星链设计的4.63要弱。这意味着VisorSat的反射光仅为原始设计的31%，Mallama称之为“显著改进”(尽管它在黑暗的天空中仍然清晰可见)。自2020年8月7日第9次大规模发射以来，SpaceX的所有星链都使用VisorSat设计，并表示其卫星运行的大部分阶段的目标是7级或更弱。 轨道的问题 尽管做出了这些努力，但到2020年年中，天文学家看到了越来越多被卫星轨迹污染的夜空图像。14个月前，科学家们还期待着一个探索黑暗天空的新时代的到来，但现在他们担心，强大的光会使他们最新最强大的望远镜失明。 为了评估的潜在影响，以及如何减少卫星们的影响，天文学家们齐聚两个线上研讨会。一是SATCON1，由美国天文学会(AAS)和国家科学基金会于6月29日至7月2日召开。另一个是由国际天文联合会于10月5日至9日举办的“科学与社会的黑暗和宁静天空”会议的一部分。SATCON1确定了六种潜在的减轻威胁的方法，从虚构的(不发射任何卫星)到数字(计算机处理以消除卫星痕迹)。 特别是，两个研讨会都建议避免600公里以上的轨道。OneWeb已经有了1200公里的卫星，其他一些公司也计划了类似的轨道。与低海拔地区相比，在这些高度的航天器对地面反射的光更少，望远镜将光聚焦到更小的点上。但是在1200千米的卫星会将太阳光整夜反射到地球上，不像600千米以下的卫星，它们在午夜会在地球的阴影中停留几个小时。 这对不同的项目有不同的含义。截至2021年2月，SpaceX有超过1000颗星链卫星在近550公里的轨道上运行。它已经获得了联邦通信委员会(FCC)的批准，可以在1100至1325公里的4个轨道上运行2800多个星链，但在与天文学家交谈后，它要求该机构让它们在550公里的轨道上运行。(到目前为止，FCC还没有采取行动。)亚马逊尚未发射卫星，但它表示根据研讨会的建议，它为计划中的3236颗卫星选择了590和630公里的轨道。OneWeb在1200公里处部署的卫星，在其航天器在短臂上安装了微波天线，在长臂上安装了一对大型太阳能电池板，使它们具有与星链不同的反射轮廓。Mallama测量了已经在轨道上运行的OneWeb飞船的平均亮度为7.58级，标准差为0.7，这可能是因为它们复杂的形状。这比550公里处的VisorSat要暗1.6个数量级，但由于更高的轨道OneWeb卫星在夜间大部分时间都可以被看到。 根据哈佛史密森天体物理中心的Jonathan McDowell的模拟，这对天文学家来说是一个更大的问题。模拟得出的结论是，在1200公里处的卫星对专业天文学的影响要比在较低高度的大得多。他认为，星链确实很烦人但可以控制，而OneWeb让望远镜无处可躲。 OneWeb的高级技术总监Maurizo Vanotti在2021年1月14日的AAS线上会议上表示，该公司计划在1200公里处完成其648颗卫星的第一代卫星部署。移动现有的卫星是不现实的，而剩下的航天器的设计其中许多已经建成，如果需要改变轨道在600公里以下，那就等于从头再来。Vanotti表示，OneWeb追求“负责任的空间设计”，但没有透露细节。 “太空很大”的谬论 卫星通信和天文学一直在使用同一个空间，但直到第一批60颗星链照亮了天文学家面前的天空，他们才意识到它们可能会产生干扰。随着大多数卫星积极地发射无线电波用于通信，射电天文学面临着更棘手的问题(见“射电天文学的‘死亡射线’?”)。与此同时，大量私人管理的新卫星也增加了另一个威胁:太空碰撞。1978年，美国国家航空航天局(NASA)的科学家Donald J. Kessler根据20年的军事太空跟踪数据提出，近地轨道太空垃圾正在累积到一定程度，高速碰撞可能最终威胁到人类的太空活动。随后，Kessler警告说，不断积累的碰撞碎片可能会导致连锁反应，将卫星撕碎成碎片，这被称为可怕的“Kessler综合症”。 NASA自1979年以来一直在追踪太空碎片，并定期发出警告，要求哈勃空间望远镜、国际空间站和其他卫星远离危险物体。目前已知的唯一两颗卫星相撞事件发生在2009年2月10日，当时一颗铱星在789公里高空以11.7公里/秒的速度与一颗失效的俄罗斯Kosmos军用通信卫星相撞。这一事件散落了近2300块碎片，大到足以从地面上追踪到。2019年9月，欧洲航天局不得不将其风测卫星(Aeolus)移离几个月前发射的60颗星链中的某颗卫星。 碰撞和近距离接触取决于航天器的数量和大约20万颗的轨道碎片，目前只有大约2万颗是可追踪的。迄今为止，几乎所有的近距离接触都涉及航天器和碎片，但随着卫星数量的增加，这种情况将会改变。空间标准与创新中心2019年末的一项模拟发现，拥有6万艘近地轨道航天器，可能会使航天器之间的近距离接触增加到每年约40次，这还不包括那些涉及大量无法控制、基本上无法追踪的空间碎片的接触。 不幸的是，预测未来卫星星座的增长是困难的，因为基于新闻发布、新闻报道和监管文件的估计是不断变化的。一方面，计划中的电信系统往往因缺乏资金、监管审批或需求而失败。另一方面，发射成本的下降使更多的企业在通信、教育和其他应用领域开始使用低地球轨道。无论数量如何，一旦进入太空，这些企业将共享一个日益充斥着卫星和空间碎片的区域，这些碎片包括了从油漆碎片到报废的火箭。 由于这些不可估量的因素，低轨道卫星的预期数量会随着时间而变化。据密歇根大学天文学家Pat Seitzer称，到2020年夏天， Analytical Graphics 预计，到2029年，低轨道通信卫星的总数将达到10.7万颗。然而，当OneWeb在进行破产程序缩减其计划时，估计数量下降到了8万左右。 空间安全联盟是一个包括太空公司、政府机构和其他组织在内的组织，其负责人Dan Oltrogge指出，只需要几年的时间，目前看到的申请的卫星可能有20%就会升空，这很难预测，但它是决定是否会出现问题的关键因素。但可以肯定的是，仅在过去三年里，某些轨道上的活动卫星之间的连接(近距离接触)的数量就比过去十年增加了一倍之多。 目前，虽然可以追踪运行中的卫星和大型碎片，计算它们的轨道，但仍没有自动控制系统可以避免碰撞。 保护太空环境 不幸的是，太空环境保护陷入了一个巨大的法律漏洞。在美国，1969年的《国家环境政策法》为环境保护建立了一个广泛的框架，但允许政府机构决定自己的责任。1986年，联邦通信委员会逃避责任，只对野生动物保护区等特殊地点、高强度照明以及人体暴露在危险的射频能量下的环境负责。 这种豁免现在正受到挑战。2020年12月，正在建造军用近地轨道通信卫星的Viasat公司对SpaceX公司提出的在600公里轨道上发射更多星链的请求提出了反对，因为拥挤会导致碰撞污染太空环境，还可能会影响Viasat自己的航天器。这一挑战名义上是为了保护太空环境，但却阻碍了联邦通信委员会批准SpaceX将其卫星送入天文学家青睐的较低轨道的请求。 另一个挑战是在2021年3月，四个团体发出紧急请愿，要求联邦通信委员会将低轨道发射推迟180天，并暂停向SpaceX提供8.86亿美元的赠款计划。天文学家以保卫天文天空基金会为代表，其他团体包括反对5G无线网络、无线电传输和太空军事化的人士。这些团体提倡宽带光纤传输，认为它是卫星无线电网络的一种经证实和经济的替代方案。 事实上，尽管在低轨道星座上投入了大量资金，但目前还不清楚它们能否为那些目前没有服务的卫星星座提供负担得起的宽带互联网，这被吹捧为它们的主要潜在好处。美国华盛顿大学的天文学家Meredith Rawls 和他的同事们写道：“不可否认，我们需要高速、可访问、价格合理的互联网服务，但企业卫星星座并不是人道主义项目。”该集团认为，SpaceX计划的每月80美元的订阅费“对所有最需要访问的国家来说都是无法接受的”，而且还不包括每个用户100 - 300美元的安装费用。 文化和夜空 这个问题远不止是保护地面天文学免受光污染。一些备受瞩目的天文台建造在了被土著群体视为神圣的土地上，如在夏威夷莫纳克亚山的30米望远镜项目，这遭到了土著群体的反对。这使得许多天文学家对他们的航天器对自然及土著居民的影响更加敏感。对这些团体中的许多人来说，天空和星座本身以及放置望远镜的山脉都是他们文化的一部分。 旧金山大学的宇宙学家Aparna Venktesan的母语是泰米尔语，他在印度和新加坡长大，是在1月份的AAS会议上发言的天文学家之一。她将太空和天空描述为全人类的“祖先的全球公地”。她认为卫星通信行业发展非常迅速。但需要所有利益相关者进行缓慢、谨慎的合作。 当然，SpaceX推销其星链系统的部分原因是，它有能力将宽带互联网带给世界各地更广泛的人群。2020年底，该公司在美国华盛顿州西北部的一个偏远保留地对霍族(Hoh Tribe)成员进行了星链的beta测试。那些没有宽带的部落成员写道，他们“感觉就像拿着勺子在上游划桨一样。” 但是，尽管卫星星座技术看似可行，但它从未在SpaceX承诺的规模、复杂性和带宽上运行。它也面临着触发Kessler综合症的真正风险。相比之下，高速光纤已经建立，具有接入更多骨干带宽的潜力，挑战在于如何使其更多的服务于分散的人口。这种情况向全世界提出了一个亟需回答的重要问题:建立一条风险更大但可能更便宜的通用宽带捷径的前景值得让卫星编队在天空中穿梭吗？有些人认为，在夜晚抬头思考“外面”可能是什么，这是我们成为人类的部分原因。美国国家射电天文台的Harvey Liszt说:“如果不能走出户外，看到平静的夜空，我不知道人类将会发生什么。”

图: 计算比较了星链2代卫星的能见度(在夏天，维拉·鲁宾天文台的位置)，其中大部分在350公里高度，以及OneWeb计划的第二阶段，该计划将把数万颗卫星放置在1200公里更高的高度。