Zrozumienie wpływu konstelacji satelitów na badania astronomiczne

W czerwcu 2019 roku Międzynarodowa Unia Astronomiczna IAU wyraziła zaniepokojenie negatywnym wpływem, jaki planowane megakonstelacje satelitów komunikacyjnych mogą mieć na obserwacje astronomiczne i ogólny wygląd nocnego nieba obserwowanego z ciemnych obszarów Ziemi. Teraz publikuje podsumowanie obecnego stanu zrozumienia tego problemu.

Zgodnie z wydanym oświadczeniem komisje IAU B7: Protection of Existing and Potential Observatory Sites i Executive Committee Working Group Dark and Quiet Sky Protection zostały poproszone przez Komitet Wykonawczy IAU o ocenę sytuacji i rozpoczęcie dyskusji z firmami odpowiedzialnymi za uruchomienie i obsługę tych konstelacji. B7 zwróciła się następnie o pomoc i udział w badaniach astronomów z różnych organizacji, w tym Obserwatorium im. Very Rubin, CAHA i ESO, oraz specjalistów z Europejskiej Agencji Kosmicznej. Naukowcy ci mieli mieć z założenia stosowne doświadczenie w modelowaniu częstotliwości pojawiania się na niebie, lokalizacji i jasności megakonstelacji nowych sztucznych satelitów Ziemi.

Część wyników tych prac przedstawiono poniżej. Biorąc pod uwagę dużą liczbę badanych parametrów oraz związane z nimi założenia i niepewności, należy uznać je jednak za wstępne.

Choć istnieje duża niepewność co do przyszłej liczby satelitów w konstelacjach, niektóre z symulacji już dziś przeprowadzono na bazie dużej próbki liczącej ponad 25 000 satelitów, reprezentujących konstelacje należące do różnych firm. Przy takiej próbce liczba satelitów nad horyzontem w danym momencie wynosiłaby od ~1500 do kilku tysięcy, w zależności od szerokości geograficznej. Większość z nich pojawia się bardzo blisko horyzontu, a tylko kilka z nich przechodzi bezpośrednio nad nimi – przykładowo, około 250 do 300 miałoby wysokość ponad 30 stopni ponad horyzontem (tj. taką, przy której nocne niebo jest już uznawane za „czyste” i gdzie przeprowadzana jest większość obserwacji astronomicznych. Zdecydowana większość z nich będzie przy tym zbyt słaba, aby dało się je jednak dostrzec gołym okiem.
Gdy Słońce znajdzie się 18 stopni poniżej horyzontu (tj. gdy nastaje ciemna noc), liczba oświetlonych satelitów nad horyzontem wynosiłaby około 1000 (z czego około 160 na wysokości powyżej 30 stopni). Liczba ta zmniejsza się w miarę zbliżania się środka nocy, gdy coraz więcej sztucznych satelitów znajduje się w cieniu Ziemi i nie odbijają one wówczas w ogóle światła słonecznego.
Na dziś dzień trudno jest przewidzieć, ile oświetlonych promieniami Słońca satelitów będzie widocznych gołym okiem – ze względu na niepewność ich rzeczywistego współczynnika odbicia. Wygląd nieskazitelnego nocnego nieba, szczególnie obserwowanego z ciemnych miejsc, tak czy inaczej ulegnie jednak zmianie, ponieważ nowe satelity mogą być znacznie jaśniejsze niż istniejące już obiekty orbitujące wokół Ziemi. Ingerencja w niezanieczyszczony światłem widok nocnego nieba będzie szczególnie poważna w obszarach nieba blisko horyzontu, a mniej widoczna na dużych wysokościach ponad nim.
Widoczne dziś pociągi satelitów („sznury pereł”), często pokazywane na zdjęciach i filmach, są znaczące i jasne natychmiast po ich wystrzeleniu i podczas fazy podnoszenia ich orbity, kiedy satelity te widzimy jako znacznie jaśniejsze niż później, na ich docelowych wysokościach operacyjnych. Globalny efekt zależy od tego, jak długo satelity znajdują się w fazie podnoszenia oraz od częstotliwości ich startów.
Szacuje się, że oprócz widoczności gołym okiem konstelacji satelitów te same satelity będą też wystarczająco jasne, aby nasycać nowoczesne detektory dużych teleskopów optycznych. W ten sposób ich obecność poważnie wpłynie na obserwacje astronomiczne o charakterze naukowym. Na przykład w przypadku nowoczesnych, szybkich badań szerokiego pola, takich jak te przeprowadzane w Obserwatorium Very Rubin (wcześniej znanym jako LSST), szacuje się, że nawet do 30% 30-sekundowych zdjęć w godzinach zmierzchu dotkną problemy i błędy związane z takimi zakłóceniami. Instrumenty o mniejszym polu widzenia będą nieco mniej dotknięte tym problemem. Teoretycznie skutki wysyłania na orbitę nowych satelitów można złagodzić poprzez dokładne przewidywanie parametrów ich orbit i przerywanie obserwacji w razie potrzeby podczas ich przejścia przez dane pole widzenia. Przetwarzanie danych może być następnie wykorzystane do dalszego „oczyszczania” powstałych w ten sposób obrazów. Jednak duża liczba satelitów może przynieść znaczne i skomplikowane wyzwania związane z planowaniem przyszłych obserwacji astronomicznych.

Starlink train

Na zdjęciu: Sznur satelitów SpaceX Starlink na nocnym niebie sfotografowany 24 maja 2019 roku, dzień po wprowadzeniu na orbitę.
Źródło: Marco Langbroek via SatTrackBlog)

Podsumowanie ustaleń i dotychczasowych działań przedstawiono w specjalnym raporcie IAU.

W badaniach tych skupiono się na długościach światła widzialnego. Ale nie oznacza to braku wpływu konstelacji satelitów na obserwacje prowadzone w zakresie fal radiowych i submilimetrowych, które wciąż są przedmiotem badań. Międzynarodowa Unia Astronomiczna uważa, że konsekwencje wysyłania w kosmos licznych konstelacji satelitów są tak czy inaczej niepokojące. Będą miały one negatywny wpływ na postęp astronomii naziemnej – w dziedzinie radiowej, optycznej i w podczerwieni. Będą też wymagały przekierowania zasobów ludzkich i finansowych z badań podstawowych do badań specjalistycznych i wdrażania środków łagodzących te skutki.

Międzynarodowa Unia Astronomiczna sporo uwagi poświęca też ochronie niezanieczyszczonego widoku nocnego nieba, które należy uznać za niezbywalne światowe dziedzictwo ludzkości. Jest to jeden z głównych komunikatów przekazywanych na specjalnej stronie internetowej IAU-UNESCO w kwestii dziedzictwa astronomicznego. Aby złagodzić wpływ konstelacji satelitów, które mogą zakłócać profesjonalne i amatorskie obserwacje astronomiczne, IAU w ścisłej współpracy z American Astronomical Society będzie w dalszym ciągu inicjować dialog z agencjami kosmicznymi i firmami prywatnymi, które planują uruchomienie przyszłych konstelacji satelitarnych.

IAU zauważa również, że obecnie nie ma uzgodnionych na szczeblu międzynarodowym zasad ani wytycznych dotyczących jasności okrążających Ziemię sztucznych obiektów. I choć do tej pory nie był to temat priorytetowy, teraz staje się on coraz bardziej poważny.

Międzynarodowa Unia Astronomiczna podkreśla, że postęp technologiczny jest możliwy tylko dzięki równoległemu postępowi wiedzy naukowej. Satelity nie działałyby ani nie komunikowałyby się z nami bez wcześniejszego wkładu astronomii i fizyki w opracowanie związanych z nimi metodologii i technologii. W interesie wszystkich leży zatem zachowanie i wspieranie postępu nauk podstawowych takich jak astronomia, dynamika czy mechanika nieba.

Czytaj więcej: