天文学家克利夫·约翰逊在黎明前凝视深空时，地球附近有东西遮住了他的视线。
他和同事们正在利用Victor M. Blanco 4 米望远镜智利。该团队在距离智利约 8,200 公里的伊利诺伊州巴达维亚费米实验室的一个房间里远程操作望远镜。
“我们度过了一个晴朗的好夜晚，”伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的约翰逊说。通过天文台的户外网络摄像头，团队可以监视智利沙漠的景象。天空一片纯净：漆黑，点缀着白色星光点点。
“突然间，通过这个网络摄像头，我们开始看到这些条纹闪现，”约翰逊说。一道道白光划过视野，就像科幻战舰发射的激光一样。这些入侵者正好飞过望远镜的视线：在望远镜相机的五分钟曝光中，19 条白线破坏了图片。没过多久，我们就发现了罪魁祸首。
一周前，即 2019 年 11 月 11 日，航空航天公司 SpaceX 发射了 60 颗 Starlink 卫星，加入其为全球宽带互联网接入而建造的不断壮大的卫星群。这群低地球轨道上的卫星抢镜了约翰逊的照片。
SpaceX 计划在首轮发射中发射一千多颗卫星，以便在 2020 年底前为美国和加拿大提供近乎连续的互联网服务，并在 2021 年为全球各个角落提供近乎连续的互联网服务。
11 月 18 日，克里夫·约翰逊 (Cliff Johnson) 在伊利诺伊州通过智利托洛洛山美洲天文台的网络摄像头观看，他看到了晴朗的夜空——直到他看不到（左）。新发射的 Starlink 卫星在他的望远镜图像之一中留下了 19 条光迹（右），该图像是在维克多·布兰科望远镜五分钟曝光期间获得的。
这些“巨型卫星星座”已经敲响了警钟：“埃隆·马斯克的卫星可能会扰乱我们所有人的夜空，”警告华盛顿邮报，点名 SpaceX 的明星 CEO。
研究人员已经开始量化问题的规模，消息喜忧参半。大多数新卫星将在大部分夜晚保持肉眼无法看到的状态，小型望远镜通常也察觉不到太大的变化。但大型望远镜，尤其是那些用于扫描整个天空的望远镜，可能会遇到问题3 月 4 日，arXiv.org 上发表的一项研究报告指出。
天文学家于 1 月 8 日在美国天文学会会议该组织担心，搜寻可能撞击地球的小行星将受到阻碍，闪烁的卫星可能会被误认为是爆炸的恒星。
“天文学中巨型星座的问题是一个严重的问题，”研究轨道碎片的密歇根大学安娜堡分校天体物理学家帕特里克·塞茨尔说。未来几年，数以万计的新互联网卫星可能会覆盖地球，其中许多卫星的亮度几乎超过地球上所有其他人造物体。或者正如塞茨尔所说：“振作起来，最糟糕的事情还没有到来。”
令人震惊的明亮
人造卫星自1957 年发射 Sputnik 1（SN: 10/19/57，第 245 页）。如今，NASA 估计，大约有 20,000 个已知的大于垒球的人造物体（卫星、火箭体和其他漂浮物）正在绕地球运行。尽管人们担心碰撞的风险可能会危及设备和宇航员的安全，但这一数字仍将继续增长。塞策指出，从智利的天文台来看，夜间任何时候都可以看到大约 600 到 700 个头顶物体。
金属表面和卫星太阳能电池板上反射的阳光可以照射到望远镜中，模仿或隐藏深空中的物体。天文学家迄今为止已经能够通过拍摄多张图像并将它们组合成一张更清晰的合成图来处理这种干扰。在某些情况下，图像处理算法还可以恢复由于入射光而丢失的数据。不过，随着越来越多的卫星进入太空，这变得越来越难。发射成本大幅下降，这主要归功于可重复使用的火箭技术，这使得进入近地轨道比以往任何时候都更容易。
总部位于加州霍桑的 SpaceX 于 2019 年 5 月发射了首批 60 颗 Starlink 卫星。第二批于 11 月发射，另外三批于 2020 年前两个月发射。该公司表示，最终将拥有由 1,584 颗 Starlink 卫星组成的初始舰队，为全球大多数人口稠密地区提供近乎不间断的互联网服务。
华盛顿特区 SpaceX 公司卫星政府事务副总裁 Patricia Cooper 在 1 月份的会议上表示：“据估计，有 36 亿人无法使用互联网，而联合国认为宽带接入是经济发展的关键推动因素。我们认为太空互联网对这些目标确实有用。”
互联网服务将通过披萨盒大小的地面设备提供，这些设备将信息来回传送到卫星。为了减少数据传输的延迟，卫星将相对靠近地球飞行——比典型的地球同步轨道通信卫星近几十倍，地球同步轨道与地球自转同步。天文学家说，这种连接是有代价的——夜空的清晰度。
图森亚利桑那大学的天文学家克里斯·英佩说：“通过这些卫星装置传输互联网并没有什么不好。但我们当然担心其副作用。”
天文学家立即注意到，5 月份发射的 Starlink 卫星亮度惊人，比已经在轨道上运行的类似大小的物体要亮得多。库珀说，就连 SpaceX 也感到惊讶。罪魁祸首似乎是散射光线的表面，但该公司仍在试图弄清楚究竟是什么让卫星在天空中如此耀眼。
当一批卫星发射时，地面上的人们会发现它们就像一串“珍珠链”在天空中穿梭。但这种效果是暂时的。SpaceX 将其卫星发射到相对较低的轨道，以便工程师可以进行几周的诊断，然后再将卫星移至更高的运行轨道，在那里它们会散布在全球各地，看起来会更暗淡。不过，这个距离可能还不足以让卫星完全消失在背景中。
塞策说，即使距离更远，星链卫星“也比目前在地球轨道上运行的所有物体的 99% 更亮”。他一直在进行计算机模拟，以量化这些卫星对天文观测的影响程度。对于 SpaceX 最初计划的 1,584 颗星链卫星，塞策估计，智利塞罗托洛洛美洲际天文台的望远镜将在黄昏后约一小时和黎明前一小时内看到多达九颗卫星，在夏夜可能还会持续更长时间。午夜时分，卫星消失在地球的阴影中。
塞策说，“天文学家可以处理这个问题”，并解决观测中的干扰问题。如果预计发射的新卫星总数就是这么多就好了。但 1,584 颗卫星只是 SpaceX 的开始，其他通信公司也计划发射自己的互联网卫星。
不确定的未来
SpaceX 已获得美国联邦通信委员会的许可，可以发射和运营 12,000 颗 Starlink 卫星。该公司还向日内瓦的国际电信联盟申请许可，允许向另外 30,000 颗卫星进行广播。与此同时，其他几家公司也渴望进入互联网卫星市场。例如，亚马逊已向联邦通信委员会申请运营 3,236 颗卫星。通信公司 OneWeb 最初计划发射 650 颗卫星，但首席执行官 Adrián Steckel 在 2 月份告诉 Ars Technica，他长期希望达到 5,260。
互联网卫星播放器
有多家公司已经发射或宣布计划将卫星送入轨道，以扩大全球互联网接入。以下卫星数量是根据公司数据和新闻报道估算的。
| 公司 | 卫星数量预估 |
|---|---|
| 太空探索技术公司 | 最多 42,000 |
| 一个网 | 650？5,260 |
| 亚马逊 | 3,236 |
| 林克 | 几千 |
| 千 | |
| 波音 | 1,396？2,956 |
| 电信卫星公司 | 292？512 |
| 俄罗斯航天局 Roscosmos | 640（互联网和其他卫星） |
| 中国航天科技集团公司 | 156 |
“这个数字很容易增长到 50,000 颗或更多，”塞策说。天文学家可能需要在黄昏时分避开数百颗明亮的卫星，而不是一次看到六到九颗 Starlink 卫星。
但塞策的模拟假设卫星将位于 SpaceX 目前的 550 公里运行高度。总部位于伦敦的 OneWeb 于 2 月初发射了 34 颗卫星，加上 2019 年发射的 6 颗卫星，该公司正在将其卫星群置于 1,200 公里的轨道上，SpaceX 也正在考虑在以后的发射中采用这一轨道。在那个高度，从地球上看卫星可能会显得更暗。但这也意味着从地面可以看到更多的轨道，从而导致可见的卫星数量更多，并且夜间可见的时间更长。
塞策尔说，在托洛洛山天文台，高轨道卫星在 12 月份整夜都可见，那时许多卫星不会消失在地球的阴影中。“我不喜欢这个等式，”他说。“我宁愿把损害限制在一小段时间内，而不是让它持续一整夜。”
对任何一位科学家的研究造成的实际损害取决于所研究的内容。对于 Cliff Johnson 来说，Starlinks 卫星在他 11 月 18 日拍摄的照片中将不可用的图片元素或像素的数量增加了一倍，从大约 10% 增加到 20%。
“这很烦人，但对科学并不一定有太大的损害，”他谈到自己的工作时说道。尽管名字叫矮星系，但他所寻找的矮星系在望远镜下看起来相对较大，因此几条卫星条纹不会抹去一幅图像。而且约翰逊的调查总是对同一片天空拍摄多幅图像，因此有机会填补丢失的像素。“但整个天文学界的情况并非如此，”约翰逊说。
对于哥伦布俄亥俄州立大学的天文学家克日什托夫·斯坦尼克来说，望远镜视野中成群的明亮卫星可能是一场灾难。斯坦尼克帮助运营全天自动超新星勘测，由 24 台望远镜组成的网络扫描天空寻找爆炸的恒星1 月 15 日，最近发射的 Starlink 卫星在低轨道上飞行，飞过了斯坦尼克团队正在使用的其中一架望远镜，尽管经过数据处理（通常可以消除此类瑕疵）后，图像中仍然残留有条纹。
斯坦尼克说：“我们拍摄的图像上有大约 10 条轨迹，其亮度堪比一颗遥远的超新星。”虽然这还不是典型情况，但“我非常担心，一旦 [SpaceX 达到] 网络的预计规模，就会有多条卫星轨迹在任何时候穿过任何给定的视野。”
鲁宾的困境
最近，科学家们已经在研究大型综合巡天望远镜了更名为维拉·C·鲁宾天文台（SN 在线：1/10/20) ？ 预计会有麻烦。从 2022 年开始，同样位于智利的鲁宾天文台将在 10 年内每三天拍摄一次整个天空的图像。
但加州大学戴维斯分校的天体物理学家兼天文台首席科学家托尼·泰森 (Tony Tyson) 表示，卫星反射的光可能会干扰黄昏观测，黄昏观测是搜寻可能从太阳方向接近地球的威胁性小行星所必需的。arXiv.org 的研究表明，在夜晚开始和结束时拍摄的曝光照片中有 30% 到 50% 将被“破坏”。
这些新卫星还可能危及一项关于暗物质在宇宙历史中如何演化的研究。这项研究依赖于对暗星系的灵敏观测，一些卫星轨迹可以模拟这些暗星系。
泰森表示，最近的实验表明，星链太亮了，鲁宾的探测器无法探测到。像素就像是一桶会溢出的光，会造成图像条纹完全遮住宇宙光线，还会因与相邻像素的电干扰而产生“鬼影条纹”，所有这些都会阻碍数据清理。
天文台的研究人员正在从三个方面着手解决问题。他们正在开发新的算法来恢复被毁坏的图像中丢失的数据。该团队还在研究如何降低从图像探测器读取信息的速度，这可以减少像素之间的电干扰，但代价是稍微减慢观察速度。
最后，该小组正在测试是否有可能完全避开卫星。这项调查将使用人工智能将望远镜的视线从一片天空转移到另一片天空，同时让月亮和卫星等明亮物体远离望远镜的视野。然而，一个完全填充的 Starlink 系统可能会让人工智能头疼。
泰森说：“对于 1,000 颗 [Starlink] 卫星来说，这种方法效果很好。一旦卫星数量超过 10,000 颗，它就会开始失效，而当卫星数量达到 50,000 颗时，它就变成了徒劳无功的事情。”该团队正在与 SpaceX 合作，将 Starlink 轨道细节纳入 AI 本身，但目前尚不清楚这将带来多大程度的改善。
宇宙狂野西部
SpaceX 表示将解决亮度问题，一些天文学家对该公司参与的意愿持谨慎乐观的态度。1 月 6 日发射的 60 颗卫星中有一颗被涂上了一种物质，使它比其他卫星更暗，天文学家将观察这是否有帮助。但如果暗色涂层起作用，使卫星在光学天文学家看来足够暗淡，使用红外望远镜的科学家可能不会高兴——暗色卫星吸收更多热量，使望远镜看得更亮。
对 SpaceX 的回应不太满意的研究人员想知道为什么该公司只让其卫星群中的一颗卫星变暗。“如果他们是认真的，他们会停止发射更多卫星，”至少暂时停止，斯坦尼克说。“他们会对它们的影响进行良好的科学研究，然后也许他们会再次开始发射。”
SpaceX 代表库珀在 1 月份的檀香山会议上确认，该公司将继续发射未经改装的卫星 - 第四批卫星于 1 月 29 日发射，第五批卫星于 2 月 17 日发射。下一次发射将于 3 月 14 日从佛罗里达州卡纳维拉尔角的 NASA 肯尼迪航天中心发射。
就在 3 月 9 日，SpaceX 首席执行官埃隆·马斯克 (Elon Musk) 还宣称 Starlink 不会对天文观测产生影响。“零。这是我的预测，”他在华盛顿特区举行的 2020 年卫星会议上说道，“如果影响超过零，我们将采取纠正措施。”OneWeb 没有回应置评请求，而亚马逊的一位代表表示，该公司目前不接受采访。
私营公司的太空活动几乎不受国际监督，因此无法保证 SpaceX 会继续致力于解决这一问题，也无法保证其他公司会与研究人员合作将潜在损害降至最低。
问题就出在这里：在制定私营公司规则方面，太空就像是狂野的西部。制定规则的谈判需要许多国家的合作，可能由联合国调解，这可能需要很多年才能完成。国际天文学联合会在 2 月 12 日的一份声明中表示，它将定期向联合国和平利用外层空间委员会通报情况以引起“世界各国政府代表对任何新的太空计划对天文学和科学总体构成的威胁的关注。”但是卫星发射正在进行中，因此天文学家只能希望私营公司能够接受他们的担忧。
科学家们还意识到，他们必须在对晴朗天空的渴望与扩大互联网服务对无法上网的人们的潜在好处之间找到平衡。在 1 月份的会议上，伊利诺伊州爱德华兹维尔市行星科学研究所的天文学家帕梅拉·盖伊 (Pamela Gay) 在一次会议小组讨论中向发言者提问：“我们如何才能既拯救天空，又不允许在偏远地区使用低成本互联网？”
小组成员一致认为，大量低轨道卫星是在全球范围内建立快速、可靠互联网的最经济有效的方式。但天文学家也希望公司将夜空视为需要保护的自然资源，就像国家公园一样，并尽量减少互联网卫星的干扰。
“我们可以将这两件事结合起来，”图森国际暗夜协会执行董事拉斯金·哈特利说。“我们需要想出一种方法，帮助世界各地的社会团体利用技术和创新来保护世界各地暗夜的遗产。”
