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編譯：王茸

校對(duì)：蔡賀菁 王婧彧

審閱：李宜驊

后臺(tái)：胡永葳

美編：李鳴晨

原文鏈接：https://www.universetoday.com/articles/could-satellites-endanger-radio-astronomy

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

衛(wèi)星“巨型星座”可能危及"無(wú)線電靜默"狀態(tài)。圖像來(lái)源：NOIRLab/NSF

多年來(lái)，商業(yè)航天領(lǐng)域一直在熱議地球軌道上衛(wèi)星"巨型星座"(大量衛(wèi)星在天空中排列構(gòu)成的人造“星座”)的潛力。這些衛(wèi)星提供從通信、導(dǎo)航到寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等全方位功能。與此同時(shí)，小型衛(wèi)星（即立方體衛(wèi)星）和共享發(fā)射計(jì)劃的進(jìn)展，使航天活動(dòng)對(duì)研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和組織變得更加開(kāi)放。隨著軌道上衛(wèi)星數(shù)量的激增，許多人開(kāi)始擔(dān)憂這可能增加太空垃圾，影響天文學(xué)研究。

射電天文學(xué)，即觀測(cè)天體極微弱的輻射，可能因軌道上新增的衛(wèi)星而受到影響。這一結(jié)論來(lái)自近期一篇由國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文，該論文探討了巨型衛(wèi)星星座對(duì)射電天文學(xué)的影響。盡管許多科學(xué)家提議在月球背面建立射電觀測(cè)站，但為確保未來(lái)能夠繼續(xù)獲得"黑暗"和"寧?kù)o“的天空，仍需對(duì)衛(wèi)星傳輸對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的影響進(jìn)行更全面的理解。

該研究由倫敦帝國(guó)理工學(xué)院Blackett實(shí)驗(yàn)室(Blackett Laboratory at Imperial College London)的博士后研究員邁克·皮爾（Mike Peel）領(lǐng)銜，他同時(shí)也是國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）"保護(hù)黑暗與寧?kù)o天空免受衛(wèi)星星座干擾中心"（CPS, Centre for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference）下屬的Sathub項(xiàng)目的聯(lián)合負(fù)責(zé)人。該研究團(tuán)隊(duì)還包括Blackett實(shí)驗(yàn)室的同事以及伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)、華盛頓大學(xué)和平方千米陣列望遠(yuǎn)鏡（SKA，Square Kilometer Array Observatory）的科研人員。描述其研究成果的論文在第九屆歐洲空間碎片會(huì)議（European Conference on Space Debris）上發(fā)表，并收錄于會(huì)議論文集網(wǎng)站。

簡(jiǎn)而言之，射電天文學(xué)依賴(lài)于多種不同類(lèi)型的天線和接收器，以不同分辨率和頻率觀測(cè)天空。這些觀測(cè)使天文學(xué)家能夠觀察到"隱蔽的宇宙"，，在那里，星際塵埃和碎片阻擋了可見(jiàn)光。傳統(tǒng)的射電望遠(yuǎn)鏡被動(dòng)運(yùn)行，以與依賴(lài)無(wú)線電頻譜的其他設(shè)備（如通信傳輸?shù)龋┕泊?。天文臺(tái)通常建在偏遠(yuǎn)地區(qū)，以避免無(wú)線電干擾（RDI）并提高信噪比（SNR）。

這包括位于新墨西哥州沙漠中的甚大陣列（VLA，Very Large Array），以及位于南非卡魯沙漠和澳大利亞默奇森地區(qū)的平方千米陣列觀測(cè)站（SKA，Square Kilometer Array Observatory），或是位于智利北部阿塔卡馬沙漠的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA，Atacama Large Millimeter-submillimeter Array）。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU, International Telecommunication Union）還保留了一些涉及特定固定頻率的譜線和物理過(guò)程的小型頻率帶。正如皮爾解釋的那樣：

“‘無(wú)線電靜默區(qū)’有時(shí)會(huì)由政府在射電天文臺(tái)周邊立法設(shè)立，以盡量減少附近地面無(wú)線電傳輸。然而，衛(wèi)星星座的本質(zhì)決定了它們是全球性的——地球上任何地方都無(wú)法逃避它們的影響。雖然部分衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商已與相關(guān)方達(dá)成協(xié)議以避開(kāi)某些無(wú)線電靜默區(qū)，但這仍未廣泛實(shí)現(xiàn)。正因如此，理解其傳輸（無(wú)論有意還是無(wú)意）對(duì)射電天文儀器的影響至關(guān)重要?！?/p>

傳統(tǒng)意義上，衛(wèi)星的傳輸頻率限制在無(wú)線電頻譜中的X、Ku和K頻段（10至20 GHz）。然而，隨著低地球軌道（LEO）衛(wèi)星數(shù)量的增加以及衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商將服務(wù)擴(kuò)展到更廣泛的頻率范圍，這一情況將發(fā)生變化。盡管月球背面被視為無(wú)線電天文學(xué)的理想遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須確保該地點(diǎn)不受衛(wèi)星傳輸?shù)母蓴_。

因此，了解衛(wèi)星星座的射頻（RF）特性對(duì)于地球上和月球背面遠(yuǎn)程射電觀測(cè)站的持續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要。但正如皮爾所解釋的，這具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槟壳皬男l(wèi)星運(yùn)營(yíng)商那里獲得的信息非常有限：

"關(guān)于衛(wèi)星及其發(fā)射器的許多信息屬于商業(yè)機(jī)密。我們知道它們主要使用的傳輸頻段，以及在這些頻段中允許傳輸?shù)淖畲蠊β剩üβ士赡軜O高——在這些頻率下，它們甚至可能比太陽(yáng)更亮！）。然而，我們對(duì)頻段外的傳輸知之甚少。例如，在官方分配的傳輸頻段兩側(cè)可能存在一些泄漏，或者由機(jī)載電子設(shè)備引起的意外發(fā)射，我們可以在低頻段檢測(cè)到這些信號(hào)，甚至在400公里外也能探測(cè)到！"

另一個(gè)挑戰(zhàn)是，已公布的衛(wèi)星位置往往會(huì)出現(xiàn)幾分之幾度的偏差（角分），而即使是微小的差異也可能產(chǎn)生顯著影響。雖然一些射電望遠(yuǎn)鏡會(huì)避免觀測(cè)與預(yù)測(cè)軌道路徑重疊的天空區(qū)域，但隨著軌道中衛(wèi)星數(shù)量的劇增，這一問(wèn)題將變得愈發(fā)棘手。

"目前已有超過(guò)100萬(wàn)顆衛(wèi)星被提議給國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU），盡管其中并非所有衛(wèi)星都會(huì)發(fā)射，"皮爾表示。"我們預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)將有5萬(wàn)至20萬(wàn)顆衛(wèi)星進(jìn)入軌道！"

幸運(yùn)的是，通過(guò)國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）的空間計(jì)劃與協(xié)調(diào)委員會(huì)（CPS）、射電天文學(xué)頻率委員會(huì)（CRAF, Committee on Radio Astronomy Frequencies）以及全球其他相關(guān)射電天文學(xué)組織，對(duì)衛(wèi)星無(wú)線電干擾的研究得以開(kāi)展。此外，還舉辦了多次專(zhuān)家會(huì)議來(lái)討論這一問(wèn)題，例如衛(wèi)星星座1（SATCON 1, Satellite Constellations 1）和SATCON 2研討會(huì)，以及黑暗與寧?kù)o的天空I和II(Dark and Quiet Skies I and II)會(huì)議。關(guān)于超頻段傳輸?shù)膯?wèn)題，也曾在由國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）射電天文學(xué)頻率委員會(huì)（CPS）的人員主導(dǎo)的一項(xiàng)研究中被探討。

研究團(tuán)隊(duì)利用低頻陣列（LOFAR，Low Frequency Array）射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了68顆Starlink衛(wèi)星，以尋找"意外電磁輻射"的跡象。觀測(cè)結(jié)果顯示，這些衛(wèi)星在110至188兆赫（MHz）的頻率范圍內(nèi)發(fā)射輻射，遠(yuǎn)低于用于下行鏈路通信信號(hào)的10.7至12.7千兆赫（GHz）射電頻率。正如皮爾(Peel)所說(shuō)，這項(xiàng)最新研究表明，衛(wèi)星可以在整個(gè)電磁頻譜范圍內(nèi)被觀測(cè)到：

"在無(wú)線電頻率范圍內(nèi)，它們?cè)谥鲃?dòng)傳輸?shù)念l率上特別明亮，而這些頻率正在增加并向更高頻率發(fā)展。每個(gè)新的衛(wèi)星星座都希望獲得自己的頻率和越來(lái)越多的帶寬。使用的頻率越多，無(wú)線電天文學(xué)觀測(cè)受到的影響就越大。它們?cè)诘皖l段也能被觀測(cè)到，盡管它們并未在該頻段主動(dòng)傳輸。然而，衛(wèi)星上的電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一種無(wú)線電'嗡嗡聲'，被低頻無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)到。"

遺憾的是，目前尚無(wú)完美的緩沖策略，且要求衛(wèi)星不得在地面無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡可見(jiàn)的地平線以上運(yùn)行（從地面無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡觀察）完全不切實(shí)際。但通過(guò)國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）的空間政策委員會(huì)（CPS）以及國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）和聯(lián)合國(guó)和平利用外層空間委員會(huì)（COPUOS）等國(guó)際組織之間的積極合作，可以最大限度地減少這些影響——COPUOS是聯(lián)合國(guó)外層空間事務(wù)辦公室（UNOOSA）的一部分。與此同時(shí)，現(xiàn)有的緩沖策略正在逐步形成。

"多家運(yùn)營(yíng)商正在探討運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)共享，尤其是避開(kāi)射電望遠(yuǎn)鏡的指向方向，即運(yùn)營(yíng)商知曉射電望遠(yuǎn)鏡的指向方向，并在衛(wèi)星經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡光束時(shí)關(guān)閉衛(wèi)星，"皮爾說(shuō)。"一些運(yùn)營(yíng)商還避免向射電望遠(yuǎn)鏡站點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，某些國(guó)家正在制定立法，要求衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商與國(guó)家研究機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)，以最大限度地減少影響。為避免低頻輻射，更好的射頻屏蔽和地面衛(wèi)星測(cè)試正在被研究。"

責(zé)任編輯：楊伯順

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海量人造衛(wèi)星構(gòu)成的“巨型星座”

圖像來(lái)源：iop.org

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