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編譯：王茸

校對：蔡賀菁 王婧彧

審閱：李宜驊

后臺：胡永葳

美編：李鳴晨

原文鏈接：https://www.universetoday.com/articles/could-satellites-endanger-radio-astronomy

Satellite mega constellations could place"radio quiet" in jeopardy.Credit: NOIRLab/NSF

衛(wèi)星“巨型星座”可能危及"無線電靜默"狀態(tài)。圖像來源：NOIRLab/NSF

多年來，商業(yè)航天領(lǐng)域一直在熱議地球軌道上衛(wèi)星"巨型星座"(大量衛(wèi)星在天空中排列構(gòu)成的人造“星座”)的潛力。這些衛(wèi)星提供從通信、導航到寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等全方位功能。與此同時，小型衛(wèi)星（即立方體衛(wèi)星）和共享發(fā)射計劃的進展，使航天活動對研究機構(gòu)、大學和組織變得更加開放。隨著軌道上衛(wèi)星數(shù)量的激增，許多人開始擔憂這可能增加太空垃圾，影響天文學研究。

射電天文學，即觀測天體極微弱的輻射，可能因軌道上新增的衛(wèi)星而受到影響。這一結(jié)論來自近期一篇由國際研究團隊發(fā)表的論文，該論文探討了巨型衛(wèi)星星座對射電天文學的影響。盡管許多科學家提議在月球背面建立射電觀測站，但為確保未來能夠繼續(xù)獲得"黑暗"和"寧靜“的天空，仍需對衛(wèi)星傳輸對射電望遠鏡的影響進行更全面的理解。

該研究由倫敦帝國理工學院Blackett實驗室(Blackett Laboratory at Imperial College London)的博士后研究員邁克·皮爾（Mike Peel）領(lǐng)銜，他同時也是國際天文學聯(lián)合會（IAU）"保護黑暗與寧靜天空免受衛(wèi)星星座干擾中心"（CPS, Centre for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference）下屬的Sathub項目的聯(lián)合負責人。該研究團隊還包括Blackett實驗室的同事以及伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)、華盛頓大學和平方千米陣列望遠鏡（SKA，Square Kilometer Array Observatory）的科研人員。描述其研究成果的論文在第九屆歐洲空間碎片會議（European Conference on Space Debris）上發(fā)表，并收錄于會議論文集網(wǎng)站。

簡而言之，射電天文學依賴于多種不同類型的天線和接收器，以不同分辨率和頻率觀測天空。這些觀測使天文學家能夠觀察到"隱蔽的宇宙"，，在那里，星際塵埃和碎片阻擋了可見光。傳統(tǒng)的射電望遠鏡被動運行，以與依賴無線電頻譜的其他設(shè)備（如通信傳輸?shù)龋┕泊?。天文臺通常建在偏遠地區(qū)，以避免無線電干擾（RDI）并提高信噪比（SNR）。

這包括位于新墨西哥州沙漠中的甚大陣列（VLA，Very Large Array），以及位于南非卡魯沙漠和澳大利亞默奇森地區(qū)的平方千米陣列觀測站（SKA，Square Kilometer Array Observatory），或是位于智利北部阿塔卡馬沙漠的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA，Atacama Large Millimeter-submillimeter Array）。國際電信聯(lián)盟（ITU, International Telecommunication Union）還保留了一些涉及特定固定頻率的譜線和物理過程的小型頻率帶。正如皮爾解釋的那樣：

“‘無線電靜默區(qū)’有時會由政府在射電天文臺周邊立法設(shè)立，以盡量減少附近地面無線電傳輸。然而，衛(wèi)星星座的本質(zhì)決定了它們是全球性的——地球上任何地方都無法逃避它們的影響。雖然部分衛(wèi)星運營商已與相關(guān)方達成協(xié)議以避開某些無線電靜默區(qū)，但這仍未廣泛實現(xiàn)。正因如此，理解其傳輸（無論有意還是無意）對射電天文儀器的影響至關(guān)重要。”

傳統(tǒng)意義上，衛(wèi)星的傳輸頻率限制在無線電頻譜中的X、Ku和K頻段（10至20 GHz）。然而，隨著低地球軌道（LEO）衛(wèi)星數(shù)量的增加以及衛(wèi)星運營商將服務(wù)擴展到更廣泛的頻率范圍，這一情況將發(fā)生變化。盡管月球背面被視為無線電天文學的理想遙遠地點，但要實現(xiàn)這一目標，必須確保該地點不受衛(wèi)星傳輸?shù)母蓴_。

因此，了解衛(wèi)星星座的射頻（RF）特性對于地球上和月球背面遠程射電觀測站的持續(xù)運行至關(guān)重要。但正如皮爾所解釋的，這具有挑戰(zhàn)性，因為目前從衛(wèi)星運營商那里獲得的信息非常有限：

"關(guān)于衛(wèi)星及其發(fā)射器的許多信息屬于商業(yè)機密。我們知道它們主要使用的傳輸頻段，以及在這些頻段中允許傳輸?shù)淖畲蠊β剩üβ士赡軜O高——在這些頻率下，它們甚至可能比太陽更亮?。Ｈ欢?，我們對頻段外的傳輸知之甚少。例如，在官方分配的傳輸頻段兩側(cè)可能存在一些泄漏，或者由機載電子設(shè)備引起的意外發(fā)射，我們可以在低頻段檢測到這些信號，甚至在400公里外也能探測到！"

另一個挑戰(zhàn)是，已公布的衛(wèi)星位置往往會出現(xiàn)幾分之幾度的偏差（角分），而即使是微小的差異也可能產(chǎn)生顯著影響。雖然一些射電望遠鏡會避免觀測與預(yù)測軌道路徑重疊的天空區(qū)域，但隨著軌道中衛(wèi)星數(shù)量的劇增，這一問題將變得愈發(fā)棘手。

"目前已有超過100萬顆衛(wèi)星被提議給國際電信聯(lián)盟（ITU），盡管其中并非所有衛(wèi)星都會發(fā)射，"皮爾表示。"我們預(yù)計未來幾年內(nèi)將有5萬至20萬顆衛(wèi)星進入軌道！"

幸運的是，通過國際天文學聯(lián)合會（IAU）的空間計劃與協(xié)調(diào)委員會（CPS）、射電天文學頻率委員會（CRAF, Committee on Radio Astronomy Frequencies）以及全球其他相關(guān)射電天文學組織，對衛(wèi)星無線電干擾的研究得以開展。此外，還舉辦了多次專家會議來討論這一問題，例如衛(wèi)星星座1（SATCON 1, Satellite Constellations 1）和SATCON 2研討會，以及黑暗與寧靜的天空I和II(Dark and Quiet Skies I and II)會議。關(guān)于超頻段傳輸?shù)膯栴}，也曾在由國際天文學聯(lián)合會（IAU）射電天文學頻率委員會（CPS）的人員主導的一項研究中被探討。

研究團隊利用低頻陣列（LOFAR，Low Frequency Array）射電望遠鏡觀測了68顆Starlink衛(wèi)星，以尋找"意外電磁輻射"的跡象。觀測結(jié)果顯示，這些衛(wèi)星在110至188兆赫（MHz）的頻率范圍內(nèi)發(fā)射輻射，遠低于用于下行鏈路通信信號的10.7至12.7千兆赫（GHz）射電頻率。正如皮爾(Peel)所說，這項最新研究表明，衛(wèi)星可以在整個電磁頻譜范圍內(nèi)被觀測到：

"在無線電頻率范圍內(nèi)，它們在主動傳輸?shù)念l率上特別明亮，而這些頻率正在增加并向更高頻率發(fā)展。每個新的衛(wèi)星星座都希望獲得自己的頻率和越來越多的帶寬。使用的頻率越多，無線電天文學觀測受到的影響就越大。它們在低頻段也能被觀測到，盡管它們并未在該頻段主動傳輸。然而，衛(wèi)星上的電子設(shè)備會產(chǎn)生一種無線電'嗡嗡聲'，被低頻無線電望遠鏡檢測到。"

遺憾的是，目前尚無完美的緩沖策略，且要求衛(wèi)星不得在地面無線電望遠鏡可見的地平線以上運行（從地面無線電望遠鏡觀察）完全不切實際。但通過國際天文學聯(lián)合會（IAU）的空間政策委員會（CPS）以及國際電信聯(lián)盟（ITU）和聯(lián)合國和平利用外層空間委員會（COPUOS）等國際組織之間的積極合作，可以最大限度地減少這些影響——COPUOS是聯(lián)合國外層空間事務(wù)辦公室（UNOOSA）的一部分。與此同時，現(xiàn)有的緩沖策略正在逐步形成。

"多家運營商正在探討運營數(shù)據(jù)共享，尤其是避開射電望遠鏡的指向方向，即運營商知曉射電望遠鏡的指向方向，并在衛(wèi)星經(jīng)過望遠鏡光束時關(guān)閉衛(wèi)星，"皮爾說。"一些運營商還避免向射電望遠鏡站點發(fā)送信號，某些國家正在制定立法，要求衛(wèi)星運營商與國家研究機構(gòu)協(xié)調(diào)，以最大限度地減少影響。為避免低頻輻射，更好的射頻屏蔽和地面衛(wèi)星測試正在被研究。"

責任編輯：楊伯順

牧夫新媒體編輯部

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海量人造衛(wèi)星構(gòu)成的“巨型星座”

圖像來源：iop.org

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