地球天文学被锁死？它的危害堪比“智子”
本文来自微信公众号：环球杂志 （ID：GlobeMagazine），刊于2023年5月3日出版的《环球》第9期，作者：宋宇佳、苟利军，题图来自：《地心引力》
在科幻小说《三体》中，外星人的“智子”锁死了地球科技；现实中没有“智子”，但繁多的人造卫星和空间碎片，却可能先一步“封锁”地球天文学。
位于西涌社区的深圳市天文台及上空的银河（堆栈照片，2022年6月29日摄）
近日，英国《自然·天文学》杂志发表系列文章，专门探讨了人造卫星和空间碎片对夜空亮度的影响。不断增加的“太空垃圾云”，将光反射回地球，这让天文学界严重忧虑：光污染的潜在影响，以及它对地面望远镜和空间望远镜的潜在干扰。
由于人造卫星和空间碎片带来的光污染影响，地球上的人们能够观察纯净黑夜的机会正在迅速减少。随着人造卫星数量的急剧增加，受其影响的天文观测结果可能无法再用于科学研究。
黑夜危机
卫星、火箭的成功发射标志着科技的进步，能给人们带来巨大的喜悦。但在此之后，被遗弃的人造物体留在了太空中：小至燃烧残渣、大到被遗弃的多级火箭，经历光荣的一生，摇身一变成为了太空垃圾，这些留在太空的人造物体被统称为空间碎片。它们以轨道速度运行，蕴含了巨大的动能。更可怕的是，每一次空间碎片的相互碰撞非但不会让其互相湮灭，反而会产生更多的碎片，这一效应被称为凯斯勒现象。而一旦航天器与空间碎片相撞，就可能会严重受损，这种情况的发生已很常见。
人造卫星是现代科技发展的成果之一，为人类提供了很多有用的信息。但是自1957年发射第一颗人造卫星以来，近地轨道空间发生了翻天覆地的变化。从2019年到现在，近地轨道上的卫星数量翻了一倍，数千颗人造卫星形成了一个庞大的系统：卫星星座。这些人造卫星被放置在一组互补的轨道平面上，以此实现接近对全球的覆盖。截至目前，据统计，在轨的有效载荷和空间碎片数量总计约为45900个。近地轨道空间日益拥挤，使得凯斯勒现象发生的概率也随之增大。
光污染影响着地球上的每个区域，这并不是什么新鲜事，越是发达的城市，夜晚越是灯火通明。但是很少有人关心我们正在失去的黑夜和星空。夜间的人造光是一种人为的污染物，黑夜很容易遭受各种类型的光污染，而巨大的卫星星座和无数的空间碎片所产生的光污染，正在对天文学构成越来越严重的威胁，夜空正在经历灾难级的，甚至是半永久性的转变。这种现象堪称前所未有，且目前来看还没有什么监管手段可以对其进行限制。
无处安放的天文台
被污染的夜空，会对天文望远镜的选址产生什么影响呢？
大量的空间碎片增加了漫射的亮度，这会对望远镜选址产生极大的阻碍，有人在巨型卫星星座时代开始之前就估计，太空物体已经贡献了约为自然背景水平10%的额外的光。大型物体（比如完整的卫星）会对夜空亮度产生很小但不可忽略的影响，而小的空间碎片造成的影响则更大，虽然目前还很难找到关于绕地球轨道运行、小于10厘米的物体数量的公开信息，但科学家预估，可能会碰撞损害卫星的厘米级空间碎片达到100万量级。
因此，即便从现在起减缓新发射卫星的频次甚至完全停止发射，由于现有卫星仍会产生新的碎片，地球上夜空亮度仍会增加，目前也仍旧缺少有效的缓解方案。
这是2020年7月10日晚在新西兰首都惠灵顿郊外拍摄的星空 郭磊摄/本刊
天文学家们很清楚这一点：随着时间的推移，将不得不把新的望远镜逐渐放置在离城市越来越远的地方。从前，天文台选址大多是在城市或者近郊，由于光污染增加，如今这些天文台逐渐成为了历史遗迹和地标文物，已经不能再进行科学观测和研究了。今天，要找到可以同时满足望远镜天文观测全部条件（视宁度高、夜天光低等）的地方越来越难了，天文台选址则更加困难。
即使我们将望远镜设置在偏远地区，空间碎片对夜天光的贡献是全方位的，科学家要想探测更暗弱的天体，就需要更高的监测极限，这很可能让我们错过一些重要的发现。
人造卫星和太空垃圾还会对地面望远镜的观测产生影响。卫星和残留的发射碎片（统称为空间碎片）在太阳光的照射下，会在地基望远镜的光学和红外图像中造成条纹或轨迹，这可能会带来数据失真；卫星直接或间接产生的无线电信号也会对射电天文望远镜产生影响，到达地面的卫星辐射如果直接照射到射电望远镜上，甚至可能损坏敏感的射电探测器；夜空亮度增加后，需要用更长的观测时间来对暗弱的天体源进行曝光，这将增加数据收集的成本。同时，这些因素还会导致望远镜观测领域竞争加剧，拥有更好资源的机构会获得越来越多的观测机会，从而进一步导致机会不均等现象的发生，使观测的多样性受到损害。
据悉，美国薇拉·鲁宾天文台将对光学天空进行一次史无前例的、长达10年的调查，称为“时空遗产调查”（Legacy Survey of Space and Time，LSST），据估计，如果美国太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”星座卫星群实现其42000颗卫星的成功组网，那么多达30%的LSST图像将包含至少一个卫星轨迹。
未来，如果“星链”全面扩建，再加上英国一网公司（OneWeb）约48000颗的卫星发射计划实施完成，那么在南半球夏季的几个月里，预计大麦哲伦云上每30秒的曝光将包含至少一个卫星轨迹。由于这些卫星提高了夜晚天空的亮度，观测者不得不通过增加曝光时间来拍摄暗弱的物体，这导致了每年需增加2180万美元成本用来维护和运行望远镜。
掩上研究广袤星空宇宙的大门
短暂的卫星闪烁对于天文学研究的影响究竟有多大，在很大程度上还是未知的。但是已经出现过科学研究被人造卫星影响的例子：曾有人观测到短暂微弱的源，最初人们猜想它是一种奇特的天体物理现象，但最后认定它是由于卫星干扰观测造成的现象。随着人造卫星的数量急剧增加，也许在未来这种情况会变得司空见惯。
为降低望远镜因受到空间碎片和卫星轨迹干扰对图像造成的影响，人们已开发出一些修正软件，但这种方法终究是不完美的，也并不是所有的影响都能被消除。这些修正软件可能会损失掉一些正常的天体信号，影响观测设备的功能发挥甚至阻碍新发现的产生。总之，它会减少未来从地面上观测天文现象并得到新发现的机会。
而想要将天文望远镜完全转移到太空也是不现实的，由于技术的限制，我们很难把大口径的望远镜设备发射到天空然后进行科学观测。更何况，大型设备对于现代和未来天文学的发展不可或缺。我们不可能放弃地面观测的机会。
除了地面上的天文研究，和人造卫星同处于近地轨道的天基望远镜也同样面临光污染问题。英国《自然·天文学》近日发表的一篇文章，报道了人造卫星对处于近地轨道的哈勃望远镜的观测污染情况。通过分析2002年到2021年哈勃望远镜拍摄的存档图像，研究者发现，在每一个独立的曝光时间，图像中都会有2.7%的部分留有卫星穿过的条纹痕迹，并且卫星的运动轨迹会随着时间推移而增加。文章预言，随着人造卫星和空间碎片数量的增加，到2030年代，处在距离地球表面850公里高度的10万颗人造卫星中有一颗飞越哈勃望远镜并在其图像中留下条纹残影的概率在33%～41%之间，这将使受到影响的哈勃望远镜观测图像的数量增加一个数量级。
而处于近地轨道上层（距离地球表面高度1000～2000公里）的卫星将会更频繁地出现在观测图像中，因为它们的位置更高，可见比例也更大，而且运行中会产生更窄的轨迹。位置较低的近地轨道卫星出现在观测图像中的频率虽然低，但是它们产生的轨迹更宽。尽管利用代码工具，可以掩盖卫星条纹，但是对于宽度超过十几个像素的卫星轨迹，修正仍然是十分困难的。在这种情况下，观测结果不可以用于科学研究。
哈勃望远镜并不是唯一受人造卫星影响的空间望远镜。近地轨道上的其他望远镜，比如欧洲航天局（ESA）的系外行星特性探测卫星（CHEOPS）和美国国家航空航天局（NASA）的近地天体广域红外巡天探测器（NEOWISE），同样会受到人造卫星的影响，因为它们的轨道低于许多当前卫星所处的轨道。目前，只有远离人造卫星和空间碎片的空间望远镜，比如詹姆斯·韦布空间望远镜，才可以免受近地轨道和地面上的望远镜正面临的日益严重的影响。
对于即将发射的大视场近地轨道望远镜，它们未来受到的影响会更加显著。比如计划在2024年发射的中国巡天空间望远镜，其视场约为哈勃望远镜的300倍，更大的视场使得其更容易受到人造卫星轨迹的影响。
暗夜守护行动
2月23日，英国巴德西岛获得了国际暗夜协会（IDA）颁发的欧洲首个国际暗夜保护区认证，由此成为全球范围被公认拥有地球上最偏僻、最黑暗夜空的17个地方之一。
为了保存和保护夜间的特殊风貌，国际暗夜协会有着国际暗天地点计划：实行保存并保护理想的黑暗夜空观测地点认证，只有经过广泛监测后才能加入保护名单，目前全球范围入选保护地名录的区域仅300多个。
近期，深圳西涌获得了IDA认证，这是国内首个国际暗夜社区。与暗夜保护区不同，暗夜社区在具有人类生活、生产的区域，在保证安全、生活和生产的前提下，对区域内的照明进行科学改造升级，来实现对黑暗夜空的保护。经过照明设计改造后的西涌社区暗夜环境和生态环境得到明显提升，晴天条件下的天光背景和极限星等均得到改善，萤火虫种群数量显著增多，西涌已成为粤港澳大湾区小有名气的天文观星胜地。
4月10日，深圳西涌国际暗夜社区授牌活动在深圳市天文台举行。活动期间，深圳还举办了“黑暗与宁静天空保护主题论坛”。国际暗夜协会的暗天项目助理安柏-哈里森表示：“西涌国际暗夜社区表明，利用周到的照明设计创造一个安全的夜间环境，使社区受益并保护自然界是可能的。西涌暗夜社区将人与自然结合在一起，并为其他人树立了一个榜样。”西涌暗夜社区对国内乃至全球的大城市而言，可以说贡献了一个很好的暗夜保护示范。
我们头顶上的这片星空，见证了数千年人类社会的发展，到了今天，密集的人造卫星，正在使越来越多微弱的天体物理信号消失在巨型卫星星座的噪声中，人类在地面能看到的星星也越来越少。为了未来的太空探索和研究，也为了人类能继续仰望璀璨星空，我们更应该重视人造卫星和空间碎片对于夜天光以及天文观测的影响，保护好引发人类无限遐想的深邃太空。
（宋宇佳系中国科学院国家天文台博士研究生；苟利军系中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授）
本文来自微信公众号：环球杂志 （ID：GlobeMagazine），刊于2023年5月3日出版的《环球》第9期，作者：宋宇佳、苟利军
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