С учетом снижения стоимости запуска и огромного количества новых спутников, заполнивших небо, не можем ли мы просто сделать все это из космоса?
Ключевые выводы
- Некоторые из величайших представлений человечества о Вселенной приходят к нам не с наземных телескопов, а из обсерваторий в космосе, включая Хаббл, Спитцер, Гершель и, в скором времени, Джеймса Уэбба.
- За последние три года взрывное увеличение количества спутников только началось, и в ближайшее десятилетие планируется запустить более 100 000 дополнительных спутников.
- Заманчиво попытаться перевести всю астрономию на космические исследования, отказавшись при этом от наземной астрономии. Вот что мы потеряем, если попробуем.
На протяжении почти всей естественной истории планеты Земля вид ясного темного ночного неба был доступен всем жителям. На заре повсеместной электрификации искусственное освещение стало помехой для астрономии, а в последнее время - на заре космической эры - спутники мешали нашим наземным наблюдениям. Астрономия, возможно, самая древняя наука из всех, которая, вероятно, даже предшествовала Homo sapiens, никогда не сталкивалась с такими препятствиями.
Учитывая недавний шквал новых спутников с 2019 года, их уже значительное влияние на астрономию, и многие другие наверняка появятся, есть ли будущее у наземной астрономии? Некоторые люди спрашивают, не пора ли перевести все предприятие в космос, включая Джорджа Хэмптона, который пишет, чтобы спросить:
«Насколько важна наземная астрономия для науки сейчас, когда мы запускаем инструменты в космос? Я понимаю, что на земле гораздо больше инструментов, но нахождение над атмосферой имеет так много преимуществ, что, возможно, основная часть новых открытий приходится на космическую астрономию».
Это распространенный ход мыслей, особенно для тех, кого привлекает привлекательность коммерческих преимуществ этих мегасозвездий спутников, таких как глобально доступный высокоскоростной Интернет. Давайте посмотрим на факты вместе.
Количество активных спутников резко возросло за последние три года и может увеличиться еще в 20 или более раз к началу 2030-х годов.
3 февраля 2022 года Международный астрономический союз запустил новый центр: по защите темного и спокойного неба от помех спутниковых созвездий. С момента запуска первого спутника «Спутник» в 1957 году до мая 2019 года количество активных спутников на орбите Земли оставалось относительно небольшим, никогда не превышая 2200 одновременно. Всего 32 месяца спустя, в начале 2022 года, это число резко возросло примерно до 5000, в основном за счет SpaceX и их нового массива спутников Starlink..
Разработанные для движения по орбите в виде перекрещивающихся поездов, эти спутники изначально были поразительно яркими: такими же яркими, как, возможно, 20-я самая яркая звезда на небе при запуске, и все еще видны невооруженным глазом в их конечные орбиты. За счет управления их ориентацией и добавления козырьков к спутникам текущее поколение спутников Starlink значительно слабее, но все же ярче минимально допустимых рекомендаций, выдвинутых астрономами во время семинаров SATCON1 и SATCON2.
Более того, это только начало истории, поскольку, если объединить документы, поданные в Федеральную комиссию по связи (FCC) и Международный союз электросвязи (ITU), мы можем ожидать более 100, 000 новых спутников выйдут на орбиту Земли в ближайшее десятилетие.
Хотя нынешние спутники SpaceX Starlink предлагают улучшение по сравнению с исходными спутниками с точки зрения яркости, каждый из них не соответствует скромной заявленной цели астрономов быть не ярче +7 по звездной величине.. Поскольку количество спутников продолжает расти в геометрической прогрессии, это быстро станет катастрофой для многих научных начинаний.
Существуют три основные проблемы с этими спутниками, когда дело доходит до наземной астрономии, и каждая из них представляет собой сложную проблему, не имеющую простого решения.
- Этих спутников будет огромное количество.
- Даже на своих последних орбитах они все равно будут очень яркими.
- И они будут двигаться очень быстро, особенно учитывая, что они находятся на низкой околоземной орбите, а это означает, что они собираются перехватить большое количество астрономической недвижимости, и каждое наблюдение будет риск.
В астрономии мы измеряем, насколько ярким выглядит объект по шкале звездной величины, и текущие спутники, которые запускаются сегодня, будут иметь звездную величину от +6,5, прямо на пороге наблюдения невооруженным глазом, до +9, что можно увидеть в большой бинокль или любой телескоп.
Это во многом уже катастрофа. На небе Земли есть только около 9000 естественных объектов с величиной +6,5 или ярче, и только ~120 000 с величиной +9 или ярче. Даже если каждый провайдер спутников добровольно согласится и выполнит рекомендации, выдвинутые астрономами (а пока только три компании присоединились к этим усилиям), вскоре в небе будет столько же спутников, сколько естественных объектов, видимых в бинокль. и большинство телескопов.
И радио, и оптическая астрономия будут сильно затронуты спутниковыми мегасозвездиями. Это уже создает существенную проблему для наземной астрономии, и проблема, вероятно, ухудшится, возможно, в ~100 раз в течение следующего десятилетия.
Некоторые обсерватории, заметьте, вполне подойдут. Конечно, будут случайные полосы, проходящие через поле зрения телескопа, и эту часть данных с полосами придется выбросить. Пока детектор быстро восстанавливается, а поле зрения телескопа достаточно узкое, большая часть данных все еще будет полезна для научных целей.
Но будут всевозможные классы научных наблюдений, которые сильно пострадают. В видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне любая обсерватория с широким полем зрения и/или чувствительными детекторами будет сильно затронута. Это включает в себя автоматические обзоры неба, предназначенные для поиска и идентификации таких объектов, как потенциально опасные астероиды, переменные объекты и переходные явления, такие как звездные вспышки и взрывы. Буквально в результате Земля станет менее безопасной, особенно из-за сценария типа «Не смотри вверх». Будет обнаружено меньше потенциально опасных астероидов, а те, которые будут найдены, будут иметь более плохие определения орбиты в результате этого спутникового загрязнения.
Для конкретных примеров, такие обсерватории, как Zwicky Transient Facility, Pan-STARRS и будущая обсерватория Веры С. Рубин, понесут огромные научные потери.
На этом снимке экрана показано постепенно ухудшающееся влияние следов спутников в поле зрения телескопа Zwicky Transient Facility. По мере увеличения количества спутников за последние 3 года увеличилось и количество загрязненных изображений.
Тем временем в радиодиапазоне пострадают попытки измерить мелкие детали и поляризацию в космическом микроволновом фоне, а также наблюдения за выбросами молекулярных газов, поиски органических молекул, исследования реионизации и исследования массивных областей звездообразования.
В настоящее время не существует национальных или международных мер защиты для оптической астрономии, и только очень ограниченная защита для радионаблюдений. Помимо ущерба, который отдельные неповрежденные спутники нанесут астрономии, существует также беспрецедентный потенциал спутникового мусора.
На данный момент примерно 1% спутников, запущенных с мая 2019 года, вышли из строя, что означает, что они находятся на неуправляемых орбитах. Как только количество спутников начинает увеличиваться до десятков тысяч на низкой околоземной орбите на высоте около 500-600 км, столкновения становятся неизбежными. В то время как отдельные спутники являются отражающими, обломки спутников имеют гораздо большее значение, поскольку фрагментированный спутник будет иметь экспоненциально большую площадь поверхности, а также неконтролируемую ориентацию. Это повысит общую яркость ночного неба и нанесет вред всем астрономам - невооруженным глазом, любителям и профессионалам, стремящимся наблюдать Вселенную.
18 ноября 2019 года около 19 спутников Starlink прошли над Межамериканской обсерваторией Серро-Тололо, нарушив астрономические наблюдения и помешав научным исследованиям реальным и измеримым образом. Если текущие планы SpaceX, OneWeb и других спутниковых провайдеров осуществятся, как изложено, последствия для астрономии будут экстраординарными и не в хорошем смысле.
Так почему бы тогда просто не разместить все в пространстве? В конце концов, у нас есть набор космических обсерваторий, и они были одними из самых ценных астрономических объектов всех времен.
Простой ответ: мы не можем, если только мы не инвестируем огромные суммы сверх того, что мы когда-либо инвестировали в астрономию, и только если мы также готовы принять вторую наука на низком уровне по сравнению с тем, что мы получили бы на земле, если бы загрязнение спутника не было проблемой. Правильно: астрономия с земли позволяет нам делать то, что мы не можем делать из космоса: не так хорошо, а в некоторых случаях совсем нет. В общем, есть пять причин, по которым оставаться на земле лучше, чем летать в космос:
- Размер. В космосе вы ограничены размерами и грузоподъемностью ракеты-носителя. На земле вы можете строить сколь угодно большие и тяжелые конструкции.
- Надежность Сбои при запуске случаются, и когда они случаются, миссия становится полной потерей. Орбитальная углеродная обсерватория НАСА, предназначенная для измерения того, как углекислый газ перемещается через атмосферу из космоса, упала в океан через 17 минут после взлета. На земле неудачных пусков нет.
- Универсальность Хотите поймать событие, которое бывает раз в жизни? Юпитер, покрывающий квазар; астероид, закрывающий фоновую звезду; критический момент гибридного затмения; шанс измерить атмосферу объекта пояса Койпера? Если у вас есть наземный телескоп в нужном месте - а некоторые наземные обсерватории являются мобильными - вы сможете увидеть его, где бы он ни находился. В космосе? Вы полагаетесь исключительно на удачу.
- Техническое обслуживание Проще говоря: на земле больше инфраструктуры, чем в космосе. Если компонент выходит из строя, изнашивается, деградирует и т. д., вы должны отправить в космос сервисную миссию, чтобы исправить это. На земле? Вы можете заменить или отремонтировать что угодно, и даже можете иметь ремонтные мастерские на месте.
- Возможность обновления. Хотите обновить свою наземную обсерваторию? Просто создайте новый инструмент и замените старый. Хотите обновить свою космическую обсерваторию? Это одна из самых сложных и дорогостоящих задач, за которые вы можете взяться.
Одно и то же скопление было получено с помощью двух разных телескопов, что позволило выявить очень разные детали при очень разных обстоятельствах. Космический телескоп Хаббла (слева) наблюдал за шаровым скоплением NGC 288 в нескольких длинах волн света, в то время как телескоп Джемини (с земли, справа) наблюдал только в одном канале. Тем не менее, после применения адаптивной оптики большая апертура Gemini, превосходное разрешение и повышенная светосила позволяют ему видеть дополнительные звезды с лучшим разрешением, чем способен Хаббл, даже в своих лучших проявлениях.; Обсерватория Джемини/NSF/AURA/CONICYT/GeMS-GSAOI (R))
Есть также некоторые факты об ограничениях космических обсерваторий, которые обычно не принимаются во внимание. Приборы и технологии камер, запускаемые на борту космических телескопов, всегда устаревают, даже до того, как они будут запущены. Вы должны:
- решите, что вы хотите, чтобы ваш телескоп делал,
- разработайте инструменты, которые позволят это сделать,
- соберите эти инструменты,
- установите их и интегрируйте в обсерваторию,
- , а затем запустить, ввести в эксплуатацию и откалибровать обсерваторию, частью которой она является.
Если бы мы заново проектировали и строили инструменты для космического телескопа Джеймса Уэбба, сегодня он выиграл бы от 7-10 лет усовершенствованной технологии. Тем временем старые наземные телескопы часто обретают новую жизнь просто с добавлением новой камеры или инструмента. В то время как наземные телескопы могут оставаться современными десятилетиями, технология космических телескопов устарела с самого начала.
Это, в сочетании с ограниченными размерами, весом и возможностями технического обслуживания космической миссии, означает, что либо нам придется выделить примерно в 100 раз больше средств, чем мы тратим на астрономию, чтобы выполнить то же самое. научные цели из космоса, которые мы делаем на земле, или нам придется довольствоваться второстепенной наукой.
Визуализация этого художника показывает ночной вид Чрезвычайно большого телескопа, работающего на Серро Армазонес в северной части Чили. Показано, что телескоп использует лазеры для создания искусственных звезд высоко в атмосфере. Использование искусственных опорных звезд, отражающихся от натриевого слоя атмосферы на высоте 60 км, чрезвычайно полезно для реализации адаптивной оптики.
С другой стороны, у полета в космос есть несколько огромных преимуществ, но мы можем соперничать, по крайней мере, с одним из них с земли при наличии соответствующих технологических достижений. То, что мы можем видеть, ограничено атмосферой Земли: мы можем проводить наблюдения только тогда, когда позволяют условия неба, на длинах волн, где атмосфера хотя бы частично прозрачна для света, и даже тогда мы видим этот свет только после того, как он был искажен. во время своего путешествия через атмосферу Земли.
Но, по крайней мере, последнюю часть можно значительно смягчить. Во-первых, мы можем строить наши обсерватории на очень больших высотах, над большей частью земной атмосферы, где воздух сухой, неподвижный и, как правило, не турбулентный.
Что еще более важно, мы можем создавать адаптивные оптические системы. Вы можете наблюдать известный сигнал, например яркую звезду (или, если ее нет, искусственную звезду, созданную лазером, отражающимся от натриевого слоя атмосферы), и увидеть, какую форму он принимает. Несмотря на то, что это не похоже на точечный источник, вы точно знаете, каким должен быть световой профиль звезды. Затем, в блестящем шаге, вы разделяете свет на два пути, вы считываете один из путей, чтобы сообщить вам, какая «форма зеркала» вам понадобится для устранения размытия изображения, а затем вы создаете это физическое зеркало и применяете его. к правильно задержанному пути второго пути.
Одновременное использование нескольких направляющих звезд может еще больше улучшить этот процесс; в самом прямом смысле адаптивная оптика может помочь вам достичь примерно 99% того, что вы можете получить из космоса, но с гораздо большей светосилой и за небольшую часть стоимости.
Если мы хотим спасти наземную астрономию - а это действительно экзистенциальный кризис для области, требующей быстрых, скоординированных, крупномасштабных действий - есть ряд мер по смягчению последствий, которые должны стать обязательными. Хотя астрономы должны работать с заинтересованными отраслевыми партнерами для разработки реалистичных нормативных целей, их соблюдение не может быть добровольным; это должно быть обязательно. Это, вероятно, должно начаться с федеральных правил в Соединенных Штатах, которые, скорее всего, затем примет Организация Объединенных Наций. Без этого шага не будет никаких последствий для спутниковых провайдеров, которые запускают произвольное количество спутников, влияющих на наземную астрономию.
Кроме того, отдельные яркие спутники сами по себе начнут влиять на наблюдателей во всем мире, при этом примерно 1% от общего числа спутников на низкой околоземной орбите будет виден в любой момент времени из большинства мест. Будут затронуты другие астрономические изображения; наземная наука займет больше времени и будет более низкого качества; некоторые области астрономии, в том числе жизненно важные для защиты нашей планеты, пострадают.
Дополнительно опасность орбитальной скученности, риск (и тяжелые последствия) столкновений, надвигающаяся проблема совокупного светового загрязнения, неизбежность отказов спутников и соответствующее увеличение космического мусора, а также загрязнение, которое это добавит в атмосферу Земли, например, добавление в нашу атмосферу примерно в 30 раз большего количества природного алюминия, окажет непреднамеренное экологическое и геоинженерное воздействие на нашу планету.
Существует более 40 000 единиц отслеживаемого космического мусора, и хотя многие из них находятся на низкой околоземной орбите, существует большое количество объектов, орбиты которых простираются на многие тысячи миль/километров от Земли.
Хотя заявленная цель инициатив Международного астрономического союза состоит в том, чтобы промышленность развивала добровольную корпоративную культуру сотрудничества, единственным реальным решением является введение эффективных и обязательных правил. Скажем прямо: ночное небо принадлежит всему человечеству, является частью окружающей среды и уже разграблено в пользу немногих за счет населения в целом.
Существует ответственный способ обеспечить мир высокоскоростным спутниковым интернетом, но наименее эффективным способом будет использование наименьшего общего количества спутников для обслуживания наибольшего числа людей. При наличии множества пересекающихся конкурентов и статус-кво, заключающемся в том, что космическое пространство открыто для всех, соблюдение текущего набора рекомендаций является полностью добровольным: рецепт полной маргинализации забот наземных астрономов. Как подчеркнули участники SATCON2 в своем резюме в прошлом году:
«Десятки тысяч спутников на [низкой околоземной орбите] неизбежно создадут негативные последствия для наземной астрономии, наземных любителей, экологических и культурных заинтересованных сторон и, возможно, для космических интересы на сопоставимых орбитах, и все они будут разыгрываться на арене, плохо оснащенной политикой для их управления. Полотно для непредвиденных последствий и конфликтов прочно на месте. […] Мы находимся на пороге фундаментального изменения природного ресурса, который со времен наших самых ранних предков был источником удивления, рассказывания историй, открытий и понимания нас самих и нашего происхождения. Мы трансформируем это на свой страх и риск».
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!