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編譯：王茸

校對：王婧彧

審閱：繆征一

美編：張榮娜

后臺：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

在這張美國國家科學(xué)基金會-美國能源部(NSF-DOE)建造的薇拉·魯賓天文臺(Vera C. Rubin Observatory)的長曝光照片中，衛(wèi)星劃過天際。

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

2025年6月，我們迎來了一組非凡的太空影像，有位科學(xué)家甚至稱其配得上“天文電影藝術(shù)“的稱號。這些影像確實令人難以置信——布滿如電視雪花般的斑點，代表著數(shù)百萬個星系；印著宛如水彩畫布的星云；更蘊藏著關(guān)于可觀測宇宙中最遙遠“宇宙懸崖”的數(shù)據(jù)。

這些是薇拉·魯賓天文臺拍攝的首批天體圖像。薇拉·魯賓天文臺可以稱得上是人類歷史上神奇的新宇宙守望者，配備了全球最大的數(shù)碼相機和視野極其廣闊的望遠鏡。天文臺坐落于智利帕喬恩山之巔，能夠以空前效率反復(fù)對夜空完整成像。這座天文臺有望憑借其望遠鏡徹底革新天文學(xué)，揭示宇宙中那些我們尚未發(fā)現(xiàn)卻終將領(lǐng)悟的奧秘。

“在我們計劃十年運營的首年，實際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就將超過整個光學(xué)天文學(xué)領(lǐng)域迄今積累的總量，這簡直令人難以置信?！?參與該天文臺工作的天文學(xué)家梅雷迪思·羅爾斯(Meredith Rawls)在1月的美國天文學(xué)會會議(American Astronomical Society meeting)上這樣說。

這一切聽起來像一場美夢，但警鐘或許也即將敲響。一架接近現(xiàn)代技術(shù)極限的地面望遠鏡，不得不面對另一種在太空發(fā)生的科學(xué)進步：地球軌道上衛(wèi)星數(shù)量的指數(shù)級增長。

截至本文撰寫之時，約有14,000顆衛(wèi)星環(huán)繞地球運行——其中近10,000顆屬于SpaceX公司——隨著商業(yè)利益持續(xù)增長，這一數(shù)字也將激增。例如藍色起源和歐洲通信衛(wèi)星公司的OneWeb正效仿SpaceX模式，多家中國企業(yè)亦然，而小型初創(chuàng)公司也在籌備自己的項目。SpaceX近期甚至提出在地球軌道建立數(shù)據(jù)中心的構(gòu)想，這意味著需要再發(fā)射約百萬顆衛(wèi)星進入太空。

因此，珍貴的魯賓天文臺圖像可能會受到商業(yè)衛(wèi)星干擾的影響，天文學(xué)家稱之為“拖痕”。

魯賓圖像的注釋版展示了該天文臺首張圖像中捕捉到的1000萬個星系中的部分星系。

圖源：RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA

為何衛(wèi)星拖痕是個大問題

你或許曾聽過這個問題，因為衛(wèi)星干擾天文成像的現(xiàn)象已有大量文獻記載。即便在這張來自雙子北座望遠鏡(Gemini North Telescope)的相對不那么重要的圖像中，也能清晰看到一條拖曳痕跡。關(guān)于為何我們需要警惕地球軌道上日益增多的巨型衛(wèi)星星座，已有相當(dāng)數(shù)量的研究對此提出警示。

特拉華大學(xué)(University of Delaware)科學(xué)家費德里卡·比安科(Federica Bianco)在會議上表示：“天文攝影是提升公眾對自然世界認知度和激發(fā)其探索興趣的寶貴教育工具。夜空環(huán)境往往具有重要文化意義，暗夜觀星旅游已被公認為是推動偏遠鄉(xiāng)村社區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素?！?/p>

就在本月，西北大學(xué)（Northwestern University）的醫(yī)生和科學(xué)家們宣布，他們擔(dān)心地球軌道上的衛(wèi)星會擾亂我們的睡眠模式。

“它們改變了夜空，” 羅爾斯(Rawls)說道，“看來，望遠鏡并非唯一仰望星空的存在?！?/p>

盡管衛(wèi)星對天文觀測的干擾早有存在，但魯賓天文臺的觀測圖像，讓這種干擾的實際后果變得更為直觀。

“正是那些讓魯賓展現(xiàn)卓越的特性，也使其面臨風(fēng)險，” 羅爾斯(Rawls)表示?！八鼡碛袕V闊的視野、極其靈敏的相機，每隔三天就能掃描整個南天——這意味著它將觀測到大量人造衛(wèi)星?！?/p>

“如果你只想要一張漂亮的照片，那沒問題——你可以用Photoshop把拖痕修掉，” 她說，“但要從中提取科學(xué)數(shù)據(jù)就麻煩多了，因為引入了系統(tǒng)性誤差，而這種誤差實際上非常、非常難以校正?！?/p>

問題的深刻性

今年在鳳凰城舉行的美國天文學(xué)會會議上，魯賓實驗室的科學(xué)家團隊探討了衛(wèi)星軌跡對望遠鏡觀測成果的多種潛在影響。他們的目標(biāo)就是在問題失控前找到解決方案。

會議室里擠滿了人，足見這個話題的緊迫性。

其中一項努力，或許是最顯而易見的一項，就是科學(xué)家與衛(wèi)星運營商及制造商合作，協(xié)助他們研發(fā)能夠減輕干擾的航天器。

例如，國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）建議將人造衛(wèi)星的亮度控制在7等或更低。若你不熟悉這個已有數(shù)百年歷史的星等系統(tǒng)：數(shù)值越小表示亮度越高。因此0等亮度是5等的100倍，滿月亮度約為-12.6等，而太陽亮度則在-27等左右。

“超過這個衛(wèi)星亮度7級閾值意味著衛(wèi)星極可能導(dǎo)致像素飽和，使得無法獲取衛(wèi)星正下方的數(shù)據(jù)，” 國際天文學(xué)聯(lián)合會保護暗夜與靜謐天空免受衛(wèi)星星座干擾中心的成員杰里米·特雷格洛安-里德(Jeremy Tregloan-Reed)表示。

羅爾斯(Rawls)指出，當(dāng)衛(wèi)星亮度達到4至5級時，便會造成顯著干擾，尤其當(dāng)圖像中存在多顆亮度相近的航天器時?！按藭r會產(chǎn)生串?dāng)_效應(yīng)，” 她解釋道，“相當(dāng)于在主光跡旁出現(xiàn)多條平行副光跡?！?/p>

這張圖像捕捉到一顆繞地球運行的人造衛(wèi)星在穿越哈勃望遠鏡視野時留下的軌跡，當(dāng)時望遠鏡正在觀測“雙鼠星系”（NGC 4676）中的相互作用星系。專家表示這種干擾尚在可控范圍內(nèi)，但魯賓望遠鏡的數(shù)據(jù)可能就沒有這么幸運了。

圖源：NASA, ESA, STScI

加州大學(xué)戴維斯分校(University of California, Davis)的安東尼·泰森(Anthony Tyson)指出：“魯賓任務(wù)的真正目標(biāo)，是發(fā)現(xiàn)真正新穎的事物，是那些足以震撼我們認知的新發(fā)現(xiàn)，而非那些早已為人所知數(shù)十年的事物。這意味著要發(fā)現(xiàn)全新類別的天體、全新的宇宙現(xiàn)象。而要在如此龐大的系統(tǒng)性誤差中尋覓意外之喜，如同在干草堆里找針，難度倍增?！?/p>

衛(wèi)星公司的責(zé)任

羅爾斯(Rawls)提出：“我們或許能協(xié)調(diào)部分運行狀態(tài)最佳的衛(wèi)星，讓它們重新調(diào)整硬件方向。用衛(wèi)星術(shù)語來說就是改變姿態(tài)，這樣它們就不會在魯賓望遠鏡夜間觀測區(qū)域產(chǎn)生強烈反光。”

在這方面已取得些許進展，但歷史上也存在一些矛盾。例如，并非所有公司都遵守亮度標(biāo)準(zhǔn)。最值得注意的就是由得克薩斯州AST SpaceMobile公司運營的BlueWalker 3衛(wèi)星亮度超過推薦的7等星標(biāo)準(zhǔn)400倍以上。

BlueWalker 3號衛(wèi)星劃過亞利桑那州基特峰國家天文臺上空。

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

最近，美國國家科學(xué)基金會NOIRLab的康妮·沃克(Connie Walker)表示，魯賓團隊已與約16家不同的衛(wèi)星公司取得聯(lián)系?！坝行┕颈绕渌靖敢馀c我們溝通，” 不過她也提到，剛在會議上與Reflect Orbital公司進行了交流，對方似乎態(tài)度很積極。

這是一個極好的征兆，畢竟Reflect Orbital公司的終極目標(biāo)是在2035年前將超過5萬顆衛(wèi)星送入地球軌道。為何如此？其目的是在地球周圍部署反射鏡，將陽光折射至地面，進而作為服務(wù)出售，按需為地球不同區(qū)域提供照明。“這對天文學(xué)而言將構(gòu)成挑戰(zhàn)，” 沃克(Walker)表示。

“衛(wèi)星運營商必須公開分享其位置信息，最好還能透露其姿態(tài)狀態(tài)，這樣我們才能預(yù)判何時會對我們造成影響”，羅爾斯(Rawls)表示。

沃克(Walker)還解釋說，SpaceX已允許團隊使用該公司制造衛(wèi)星星座的材料測試衛(wèi)星反射率?！八麄兘o我們提供舊衛(wèi)星，我們可以據(jù)此進行建模。”

但歸根結(jié)底，盡管衛(wèi)星公司有時愿意溝通，“他們并未全力推進此事，” 沃克(Walker)表示?！白鳛槠髽I(yè)，他們的首要任務(wù)是經(jīng)營，但在力所能及的范圍內(nèi)，他們會提供幫助?！?/p>

在托洛洛山美洲際天文臺（CTIO）的維克多·M·布蘭科4米望遠鏡上使用DECam設(shè)備觀測時，天文學(xué)家克拉拉·馬丁內(nèi)斯-瓦茲奎茲(Clara Martínez-Vázquez)和克利夫·約翰遜(Cliff Johnson)發(fā)現(xiàn)了一個有趣現(xiàn)象。他們拍攝的一張333秒曝光圖像中，出現(xiàn)了至少19道光痕。兩人迅速推測這些光痕是由一批Starlink衛(wèi)星造成的。

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

諷刺的是，科學(xué)家似乎能通過提供那些不適合天文觀測的衛(wèi)星拖痕圖像來幫助衛(wèi)星運營商?！拔覀円严虬⊿paceX和Planet Labs在內(nèi)的十多家公司提供數(shù)據(jù)，” 沃克(Walker)表示。

羅爾斯(Rawls)表示：“我認為這是我們能提供的一項不錯的附加服務(wù)，因為我們最終并未對任何像素進行編輯。”

也許責(zé)任落在了科學(xué)家身上

這便引出了第二種方案：設(shè)法優(yōu)化魯賓望遠鏡的數(shù)據(jù)分析，確保衛(wèi)星軌跡不會妨礙其揭示的驚人數(shù)據(jù)量。而根據(jù)會議發(fā)言科學(xué)家的說法，這些干擾因素可能相當(dāng)顯著。

考慮衛(wèi)星如何反射陽光，同時又以極快的速度繞著我們的星球旋轉(zhuǎn)。

“它們繞行速度極快，在近地軌道上每90分鐘完成一次公轉(zhuǎn)，因此會形成明亮的軌跡。有時是斷續(xù)的線條，有時忽隱忽現(xiàn)，有時異常明亮，有時纖細如絲，有時又極其短促，” 羅爾斯(Rawls)解釋道?！皩嶋H上，隨著高度增加，軌跡本身必須變暗才能使魯賓相機的曝光效果保持一致。這看似違反直覺，畢竟距離越遠物體本應(yīng)越暗，但軌道物體在更高處運行速度減緩，因此軌跡會持續(xù)更久?！?/p>

為說明這種現(xiàn)象的潛在負面影響，魯賓天文臺太陽系科學(xué)合作項目近地天體與星際天體工作組負責(zé)人莎拉·格林斯特里特(Sarah Greenstreet)解釋了在衛(wèi)星汪洋中，魯賓天文臺開展的太陽系科學(xué)研究可能面臨的困境。

該天文臺預(yù)計將在為期十年的觀測任務(wù)結(jié)束前發(fā)現(xiàn)五百萬個太陽系新天體。它還將開展一項名為“近日黃昏近地天體微觀測“的項目，專門觀測那些距離太陽極近的天體。

魯賓望遠鏡發(fā)現(xiàn)的新小行星群及其首批數(shù)據(jù)包。

圖源：RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA

“我們可能面臨數(shù)百個移動物體的檢測任務(wù)，隨后需要采集大量圖像。因此必須能夠識別出在每張圖像中，數(shù)百個物體間的各個點如何連接、各自朝哪個方向移動，” 格林斯特里特(Greenstreet)在會議上指著這張可視化圖像解釋道。“如果將人造衛(wèi)星納入這幅畫面，就會出現(xiàn)大量其他移動物體?！?/p>

正如格林斯特里特(Greenstreet)所解釋的，為了以高置信度探測移動物體，魯賓望遠鏡需要在15天內(nèi)的四個夜晚拍攝四組圖像。但如果這八張圖像中哪怕有一張被衛(wèi)星拖曳痕跡污染了呢？

“我們未能發(fā)現(xiàn)那個移動的物體，” 她說。

她還指出一項2022年的研究，該研究模擬了4萬顆圍繞地球運行的、亮度低于7等的衛(wèi)星（再次強調(diào)，這是推薦的亮度水平）將對魯賓望遠鏡的任務(wù)，即時空遺產(chǎn)巡天計劃（LSST）將產(chǎn)生何種影響。

結(jié)論是，在LSST的主要觀測區(qū)域中，10%至30%的區(qū)域會出現(xiàn)衛(wèi)星拖痕。若將衛(wèi)星軌道高度降低，則高達50%的曝光圖像可能出現(xiàn)拖痕。

研究作者還發(fā)現(xiàn)，在黃昏時段，在此類條件下拍攝的每張曝光照片中都可能出現(xiàn)至少一條拖痕。預(yù)計約15%本應(yīng)被魯賓望遠鏡發(fā)現(xiàn)的近地天體可能因衛(wèi)星干擾而漏檢?！斑@個比例不算太大，但若能大幅降低我會很欣慰，” 她表示。

她補充說：“當(dāng)然，需要注意的是，這些數(shù)據(jù)的前提是衛(wèi)星亮度低于7等。如果衛(wèi)星亮度超過這個數(shù)值，那么所有數(shù)據(jù)都會大幅惡化?！?/p>

針對羅爾斯(Rawls)關(guān)于與衛(wèi)星運營商合作的觀點，格林斯特里特(Greenstreet)還解釋道：在將魯賓望遠鏡指向特定夜空區(qū)域前，若能預(yù)先掌握衛(wèi)星位置——盡管這會犧牲約10%的LSST觀測時間——可將出現(xiàn)拖痕的主觀測區(qū)域數(shù)量減半。針對黃昏時段的專項觀測同樣存在希望，因為該時段拍攝的圖像更多。這意味著通過備用圖像實現(xiàn)所需四組圖像配對的概率更高。

“我們非常擔(dān)心那些在單次曝光中會出現(xiàn)、但在第二次曝光中可能不會顯現(xiàn)的現(xiàn)象，” 比安科(Bianco)說。

“事實上，此前已有研究宣稱在紅移值z=11處發(fā)現(xiàn)了[伽馬射線暴]。（注：紅移值衡量光線在抵達望遠鏡途中被拉伸的程度。紅移值11意味著極其古老的光源——該光源在大爆炸后僅約4億年便開始輻射。） 后來證實那只是衛(wèi)星留下的軌跡。”

這張圖像由薇拉·魯賓天文臺在短短七個多小時的觀測時間內(nèi)拍攝的678張獨立圖像合成而成。通過這種方式將大量圖像疊加，清晰呈現(xiàn)了原本微弱或不可見的細節(jié)，例如構(gòu)成三裂星云（右上角）和礁湖星云的氣體與塵埃云團——這些天體距離地球數(shù)千光年之遙。

圖源：NSF-DOE Vera C. Rubin Observatory

羅爾斯(Rawls)表示，她的團隊正在開發(fā)一個數(shù)據(jù)庫，用于標(biāo)注在分析魯賓數(shù)據(jù)時，衛(wèi)星干擾可能導(dǎo)致的拖痕和閃光的落點位置。

該方案旨在讓科學(xué)家在觀測已知存在衛(wèi)星軌跡區(qū)域的天體時保持警惕，“這樣就能更清楚地判斷何時需要謹慎對待發(fā)現(xiàn)。比如'哇，我們發(fā)現(xiàn)了前所未見的新超新星'。隨后你可能會意識到'噢，它恰好出現(xiàn)在衛(wèi)星軌跡區(qū)……或許這只是衛(wèi)星反光造成的假象'?！?她解釋道。

“克里斯·斯塔布斯(Chris Stubbs)提出這樣一個構(gòu)想：沿智利山脊線部署多臺地面小型望遠鏡，通過觀測衛(wèi)星軌跡移動產(chǎn)生的影響來獲取數(shù)據(jù)，” 但泰森(Tyson)指出：“我認為讓多臺LSST望遠鏡分別觀測不同角度的做法既不合理，也不具成本效益?！?/p>

盡管這場對話未能提出任何超越已討論進展的可行解決方案，如同羅爾斯(Rawls)的工作那樣，但整個會議室都強烈感受到一個清晰的信息，那就是緊迫感。

魯賓天文臺運營部代理主任鮑勃·布盧姆(Bob Blum)表示：“這里現(xiàn)在已成為一座運作中的天文臺?！?/p>

“每晚——每分鐘——都彌足珍貴。”

責(zé)任編輯：周英杰

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

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這組由14臺不同相機拍攝的圖像合集，記錄了2025年2月22日夜間各類衛(wèi)星的活動軌跡。每道軌跡均代表一顆衛(wèi)星劃過天際的運動軌跡。

圖源：U.Western and Defence R&D Canada

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