В мае 2019 года SpaceX запустила первую партию интернет-спутников Starlink, положив начало созданию спутниковых «мегасозвездий» на низкой околоземной орбите. Количество спутников неуклонно растёт: за последние два года их стало почти в два раза больше. Основная доля приходится на две крупные компании: SpaceX (1 659 спутников) и OneWeb (218 спутников). Для сравнения: до запусков этих двух компаний общее количество всех действующих космических аппаратов на низкой околоземной орбите не превышало 3 000 штук.
В ближайшее время количество интернет-спутников возрастёт ещё больше. SpaceX планирует запустить 10 000 спутников (запуск ещё 30 000 ожидает одобрения Федеральной комиссии по связи США), OneWeb — 6 000, Amazon (США) — 6 000, Guo Wang (Китай) — 13 000, Samsung (Корея) — 4 700, Boeing (США) — 3 000. Кроме того, более мелкие компании также планируют выводить на низкую околоземную орбиту свои спутниковые группировки, в которых будут находиться от 30 до 1 000 спутников в каждой. По некоторым оценкам, к 2029 году количество спутников увеличится приблизительно до 57 000, которые плотной «паутиной» окутают Землю.
В таких условиях свет, отражаемый спутниками, приведёт к затруднениям при проведении астрономических наблюдений в наземных обсерваториях. Спутники будут всё чаще проходить через поля наблюдения телескопов, а оставляемые ими световые следы в виде длинных ярких полос — портить изображения.
В ноябре 2020 года эта проблема коснулась даже космического телескопа Hubble. Во время наблюдения объектов пояса Койпера спутник Starlink пересёк поле зрения Hubble, пролетев приблизительно в 80-ти километрах от телескопа и оставив на изображении широкую белую полосу.
Наибольший вред световое загрязнение от интернет-спутников может нанести наблюдению переходных астрономических явлений (транзиентов), которые длятся в течение нескольких минут или меньше. К ним относятся:
- изменение яркости звёзд в результате пульсаций, вспышек в хромосфере, взрывных процессов, затмений в двойных звёздных системах, слияний;
- гамма-всплески — мощные вспышки гамма-излучения в ходе различных катаклизмов: слияния нейтронных звёзд или взрывов сверхновых;
- события разрушения звёзд приливными силами чёрной дыры;
- вспышка сверхновой звезды.
Поскольку транзиенты гаснут очень быстро, световые следы от спутников могут помешать их обнаружению и последующему анализу. Дело в том, что обнаружить эти процессы можно только по определённым сигналам, которые выделяются на фоне шума. Автоматизированная система сначала делает несколько снимков определённой области, а затем сравнивает их. Все изменившиеся объекты, которые стали ярче, появились, переместились или исчезли, система сохраняет в базе данных и перенаправляет для дальнейшего спектроскопического наблюдения. Спутники будут создавать большое количество дополнительных ложных источников сигналов, что усложнит обнаружение сигналов реальных астрономических явлений.
Кроме того, световое загрязнение от спутников затруднит поиски:
- тёмной материи и тёмной энергии посредством изучения сверхновых, скоплений галактик, эффектов слабого гравитационного линзирования;
- астероидов и комет, сближающихся с Землёй;
- объектов с низкой поверхностной яркостью в глубоком космосе;
- экзопланет с использованием транзитного метода.
По итогам конференции Satellite Constellations 1 группы учёных из разных стран мира оценили влияние спутников на оптическую астрономию и выработали некоторые рекомендации по снижению этого влияния. В исследовании учитывали 26 тысяч спутников (как существующих, так и запланированных к запуску), для упрощения расчётов имеющих сферическую форму и равномерно распределённых вокруг земного шара.
Учёные выявили несколько основных факторов, при которых спутники попадут в поле наблюдения телескопов. Во-первых, даже если на околоземной орбите работает множество спутников, в обзор телескопа попадут только те из них, которые находятся непосредственно в области местонахождения телескопа. Из 26-ти тысяч спутников приблизительно 1 600 из них будет находиться над горизонтом в месте расположения обсерватории.
Во-вторых, видимость спутников зависит от высоты их рабочей орбиты, что, в свою очередь, взаимосвязано со временем суток, то есть важно, как низко Солнце опустилось за горизонт, и насколько оно освещает спутники.
Чтобы быть видимым, спутник должен не только находиться в поле наблюдения телескопа, но и быть освещённым Солнцем. На закате (и на рассвете) Солнце освещает все спутники над обсерваторией. Но по мере того, как оно опускается за горизонт, тень от Земли поглощает всё больше спутников. Спутники в тени Земли тёмные и на наблюдение не влияют. Другие источники освещения (лунный и звёздный свет, свет с поверхности Земли) очень слабые по сравнению с Солнцем, и не могут сделать спутники достаточно яркими, чтобы их можно было обнаружить.
В-третьих, из 1 600 спутников большая часть (приблизительно 85%) будет расположена очень низко над горизонтом, где телескопы не ведут наблюдения. И только около 250 спутников в любой момент времени будут находиться в той части околоземного пространства, которая попадает в поле зрения телескопов. Из них фактически увидеть в телескоп можно будет ещё меньшее количество.
Астрономические наблюдения обычно проводят, начиная с наступления вечерних астрономических сумерек и заканчивая утренними. Наибольший вред световое загрязнение спутников причинит сразу после захода Солнца и в предрассветные часы. Именно в это время лучше всего наблюдать астероиды и кометы, которые сближаются с Землёй, а также объекты внешней Солнечной системы. Из 250 спутников, попадающих в поле обзора телескопа, освещены Солнцем (и фактически видны в телескоп) в это время будут только около 150 из них.
Однако с наступлением астрономической ночи количество освещённых Солнцем спутников уменьшается непропорционально. Это объясняется разницей в высоте рабочих орбит. Спутники, которые движутся на высоте до 600 километров над горизонтом (например, Starlink), видны только в течение коротких промежутков времени сразу после захода Солнца или перед рассветом, а большую часть астрономических сумерек и ночи находятся в тени от Земли и поэтому не видны. Спутники на более высоких орбитах (выше 600 километров) будут дольше оставаться видимыми после захода Солнца. А некоторые из них расположены настолько высоко, что могут быть видны всю ночь, например, спутники OneWeb, орбита которых находится на расстоянии 1 200 километров над горизонтом. Кроме того, такие спутники дольше проходят через поле наблюдения, и поэтому будут оставлять более яркий след.
По оценкам учёных, подавляющее большинство спутников над горизонтом наблюдения будут слишком тусклыми. Только около 20 спутников из 150, видимых в поле наблюдения телескопа, будут заметны невооружённым глазом. В эту оценку не входят последовательности спутников, которые образуют «жемчужную нить» сразу после массового запуска и существуют непродолжительное время.
На астрономические наблюдения влияют также вспышки и блики спутников. Спутники — сложные объекты с плоскими полированными поверхностями (части корпуса, солнечные батареи). Солнечный свет, отражаясь от них, вызывает кратковременную, но очень яркую вспышку, которая приведёт астрономические изображения к негодности. Однако, по расчётам учёных, количество вспышек, которое будет происходить за ночь, составит около 100, из них 20 — с блеском ярче -5 звёздной величины. Такое влияние на астрономические наблюдения специалисты считают незначительным.
Влияние светового загрязнения спутников зависит и от длительности экспозиции. Например, на коротких выдержках (1 секунда) световые следы от спутников не влияют на наблюдение. При экспозиции средней продолжительности (с выдержкой от 1,5 минут) учёные оценивают негативное влияние на низком уровне — может быть испорчено от 0,1% до 0,5% наблюдений. При длительных экспозициях (от 15-ти минут) негативное влияние оценивают как умеренное (на уровне от 1% до 3%). Однако такую экспозицию используют редко.
Наиболее сильному влиянию световое загрязнение подвергнет широкоугольные обзоры неба, например, строящийся Large Synoptic Survey Telescope обсерватории Vera C. Rubin. Широкий угол обзора и большая собирающая поверхность главного зеркала диаметром 8,4 метра делают астрономические наблюдения очень чувствительными к световому загрязнению спутников. По оценкам учёных, будут испорчены от 30% до 50% изображений из-за прохождения спутников через поле наблюдения.
Учёные выработали несколько рекомендаций по снижению негативного влияния светового загрязнения спутников на астрономические наблюдения для всех участников процесса.
Обсерватории могут проводить наблюдения только тех областей неба, которые находятся в тени Земли, и где спутники не освещаются Солнцем, либо, если это невозможно, прерывать наблюдения на время прохождения спутников через поле обзора. Также наблюдение можно планировать исходя из расчёта местонахождения космических аппаратов и прогнозирования их передвижения. И, наконец, поможет разработка программного обеспечения, которое будет находить на изображениях световые следы от спутников и удалять или маскировать их.
Операторам связи специалисты рекомендуют выводить спутники на орбиту высотой не выше 600 километров, и, по возможности, уменьшить их количество. Кроме того, необходимо избегать зеркальных материалов на лицевой стороне спутника и использовать солнцезащитные козырьки, а также изменять положение спутников на орбите так, чтобы они меньше отражали солнечный свет на основные участки наземных обсерваторий.
Автор: Алина Нестерова
Источники: aas.org, www.eso.org, www.eso.org, universemagazine.com, gamersgrade.com
