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2019年，SpaceX公司通過(guò)一箭60星的方式將首批大規(guī)模部署的星鏈(Starlink)衛(wèi)星送入太空。此后幾天的時(shí)間中，天文愛(ài)好者發(fā)現(xiàn)這些衛(wèi)星像一列火車一樣經(jīng)過(guò)世界各地上空，甚至闖進(jìn)天文望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)，導(dǎo)致照片完全被衛(wèi)星軌跡覆蓋。國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(IAU)和美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)(NRAO)為此均發(fā)表聲明表示擔(dān)憂。截至2020年1月8日，SpaceX又把共計(jì)120顆相似的衛(wèi)星送入軌道，而且今后還將陸續(xù)有更多的星鏈衛(wèi)星上天。

來(lái)者何人？

其實(shí)說(shuō)起SpaceX大家都相當(dāng)熟悉。這家私企幾乎以一己之力撼動(dòng)了全球航天市場(chǎng)，憑借性價(jià)比超高的獵鷹火箭拿下眾多訂單。短短幾年前，航天飛機(jī)的教訓(xùn)還歷歷在目，人們自然而然地認(rèn)為火箭的回收是一條死胡同，即使能成功回收也會(huì)損失大部分運(yùn)力，并需要大量投入進(jìn)行檢修和翻新。但是通過(guò)快速的技術(shù)迭代，獵鷹火箭已經(jīng)日趨成熟，火箭回收已經(jīng)變成司空見(jiàn)慣的事，而回收狀態(tài)下獵鷹依然能提供很可觀的運(yùn)力。SpaceX的老板伊隆·馬斯克還有一個(gè)更加雄心勃勃的計(jì)劃。他要更進(jìn)一步，計(jì)劃建造巨型火箭，可以將人類送往火星。這款直徑9米、重量超過(guò)土星五號(hào)的火箭全部采用液氧甲烷為燃料，計(jì)劃通過(guò)在火星上就地取材制造燃料，從而使飛船(“星艦”)能再次飛回地球。當(dāng)然更讓人驚奇的還是“星艦”的試驗(yàn)機(jī)——露天手工搭建，不銹鋼的外殼甚至有明顯的凹凸痕跡，神似谷倉(cāng)。果不其然，其中一個(gè)原型機(jī)在加壓測(cè)試時(shí)發(fā)生了爆炸。

而這次的主角——星鏈計(jì)劃，就是馬斯克提出的另一個(gè)“瘋狂”的想法。利用自家性價(jià)比超高的運(yùn)載火箭，幾年內(nèi)往近地軌道發(fā)射42000顆衛(wèi)星——沒(méi)錯(cuò)，這個(gè)數(shù)目將是人類所有發(fā)射過(guò)衛(wèi)星數(shù)目的5倍左右。

根據(jù)計(jì)劃，“星鏈”是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，計(jì)劃通過(guò)大量低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)全球的完整覆蓋，形成一個(gè)高通量、低時(shí)延的互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供的通信服務(wù)可謂誘人，建成之后，從偏遠(yuǎn)山區(qū)的個(gè)人用戶到大城市中的企業(yè)用戶，都可以享受到無(wú)死角通信覆蓋產(chǎn)生的便利。并且衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也有可能替代地面的骨干網(wǎng)，光纖跨越千山萬(wàn)水，而使用衛(wèi)星卻只需要短短幾次中繼。

與鋪天蓋地的布網(wǎng)計(jì)劃相對(duì)應(yīng)的是星鏈衛(wèi)星通過(guò)種種手段來(lái)削減成本。在發(fā)射時(shí)，板狀的衛(wèi)星緊密堆疊在一起，不需要單獨(dú)的分離裝置，而是像撒撲克牌一樣一次性全部釋放，甚至衛(wèi)星之間互相碰撞也不在乎。一枚獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭可以發(fā)射62顆衛(wèi)星進(jìn)入軌道，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)火箭一級(jí)的回收。在未來(lái)的計(jì)劃中，獵鷹重型火箭可以發(fā)射更多衛(wèi)星進(jìn)入太空。

每個(gè)星鏈衛(wèi)星重227千克，由板狀的衛(wèi)星本體和一面可折疊的太陽(yáng)能板組成。每顆衛(wèi)星上搭載了4面相控陣天線用來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，地面的用戶可以接收到仰角>45°的衛(wèi)星的信號(hào)，預(yù)計(jì)2020年衛(wèi)星將能開(kāi)始搭載激光通信系統(tǒng)進(jìn)行星間通信。衛(wèi)星通過(guò)霍爾效應(yīng)推進(jìn)器進(jìn)行變軌和軌道保持，燃料為氪。為了避免與其他衛(wèi)星的相互碰撞，衛(wèi)星使用了美國(guó)國(guó)防部提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間碎片的自動(dòng)規(guī)避。衛(wèi)星的在軌壽命為1~5年。

在2019年5月，第一批發(fā)射的60顆衛(wèi)星進(jìn)入550km的近地軌道，在2019年11月進(jìn)行了第二次發(fā)射，在2020年1月進(jìn)行了第三次發(fā)射。據(jù)計(jì)劃，之后的每隔不到一個(gè)月都會(huì)發(fā)射一批星鏈衛(wèi)星(60顆)。在組網(wǎng)的第一階段(Phase1)，約1600顆衛(wèi)星將在550km環(huán)繞地球運(yùn)行。之后，2700多顆衛(wèi)星會(huì)進(jìn)入1100~1325km的較高的軌道，完成全球組網(wǎng)。“星鏈”計(jì)劃的第二階段(Phase2)會(huì)發(fā)射七千多顆衛(wèi)星進(jìn)入更低的300km高度，增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬。

兩個(gè)階段的軌道面參數(shù)可見(jiàn)表1。其中第一階段的衛(wèi)星將按照不同的軌道面運(yùn)行，而第二階段低軌道衛(wèi)星將對(duì)單個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行單獨(dú)控制。

根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)對(duì)于頻段的審批，SpaceX需要在2024年完成一半的發(fā)射工作，在2027年完成所有衛(wèi)星的發(fā)射工作。也就是說(shuō)，短短7年時(shí)間，SpaceX就要發(fā)射12000多顆衛(wèi)星。

就在2019年10月份，SpaceX提交了新一批衛(wèi)星的頻率申請(qǐng)，計(jì)劃再增加30000顆衛(wèi)星，使得總衛(wèi)星數(shù)達(dá)到42000顆，是人類發(fā)射過(guò)的所有衛(wèi)星數(shù)量的約5倍。這三萬(wàn)顆衛(wèi)星將運(yùn)行在328~580千米之間。

“新”的星空

清晨和傍晚的時(shí)候我們經(jīng)常可以看到人造衛(wèi)星劃過(guò)天空。這些人造衛(wèi)星經(jīng)常出現(xiàn)在天文愛(ài)好者的深空照片中，而去除這些人造衛(wèi)星的軌跡也是后期處理過(guò)程中幾乎不可避免的一個(gè)步驟。星鏈衛(wèi)星也不例外。單個(gè)衛(wèi)星的亮度其實(shí)也并不出眾，但問(wèn)題是——數(shù)量實(shí)在是太多了。

星鏈衛(wèi)星發(fā)射后的前幾天，60顆衛(wèi)星運(yùn)行在相似的軌道上。因此在地面可以看到大量衛(wèi)星排成一列從天空中經(jīng)過(guò)的現(xiàn)象。肉眼看上去這些衛(wèi)星的亮度在3等或更暗，不同衛(wèi)星的亮度不同，衛(wèi)星的亮度與姿態(tài)有關(guān)。由于這些衛(wèi)星軌道相似，它們會(huì)依次經(jīng)過(guò)同一片天區(qū)。出現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生的后果是破壞性的，如圖3所示。

更有甚者，有的愛(ài)好者拍到這些衛(wèi)星甚至有“閃光”的現(xiàn)象。在一段上傳至網(wǎng)上的視頻中，這個(gè)愛(ài)好者用自己的單反拍攝到了一長(zhǎng)串衛(wèi)星依次發(fā)生閃光，亮度超過(guò)了織女

這可一下子讓天文圈炸了鍋。如果以后的天空中全都是這樣的衛(wèi)星，那天文學(xué)家和天文愛(ài)好者就根本沒(méi)法觀測(cè)了，衛(wèi)星的軌跡全都把遙遠(yuǎn)的天體蓋住了。IAU發(fā)表聲明表示這樣的巨型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)天文觀測(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。針對(duì)天文學(xué)家們的質(zhì)疑，SpaceX方面起初表示“衛(wèi)星非常小，不會(huì)有什么影響”，但反對(duì)聲音漸大后，改口表示“會(huì)采取方式降低后續(xù)衛(wèi)星的亮度”。在2019年11月的發(fā)射中，就包括一顆被涂黑的衛(wèi)星，作為嘗試降低衛(wèi)星亮度的手段。但涂黑會(huì)對(duì)衛(wèi)星的性能造成不利影響，因?yàn)樾l(wèi)星會(huì)在太陽(yáng)光中吸收大量的熱量。

另外，星鏈衛(wèi)星工作在Ku和Ka頻段，在這些波段(12~18GHz，26.5~40GHz)的射電天文觀測(cè)可能也會(huì)受到影響。由于衛(wèi)星的工作波段包含一條重要的水蒸氣譜線，大量的衛(wèi)星通信也可能會(huì)干擾氣象衛(wèi)星對(duì)水蒸氣的觀測(cè)，導(dǎo)致天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度降低。

闖入者的蹤跡

那么，這些衛(wèi)星會(huì)以何種密度出現(xiàn)在我們的夜空中、又會(huì)怎樣影響我們的天文觀測(cè)呢?筆者做了一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算：以12000顆衛(wèi)星作為研究對(duì)象，根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)中的軌道分布，計(jì)算地面的觀測(cè)者在天空中看到的衛(wèi)星數(shù)目。

結(jié)果表明，在中緯度地區(qū)，任意時(shí)刻居然有100顆以上的衛(wèi)星位于20°仰角以上的天空。在北緯45度左右，這個(gè)數(shù)目達(dá)到了160多顆。

圖6中藍(lán)色為第一批發(fā)射的550km軌道衛(wèi)星，紅色為1000km以上軌道的衛(wèi)星，黃色為第二階段的低軌衛(wèi)星。可以看出，軌道傾角較低的衛(wèi)星(藍(lán)色和黃色)在高緯度不可見(jiàn)，同時(shí)緯度35°到55°上空的衛(wèi)星密度是最高的，隨時(shí)可以保持120顆以上，最多為160多顆。

一天中上空的衛(wèi)星數(shù)基本保持穩(wěn)定，但被太陽(yáng)照亮的衛(wèi)星數(shù)與太陽(yáng)位置有關(guān)。例如在北緯40°的春秋分前后，日落后一小時(shí)以內(nèi)，頭頂?shù)?50顆衛(wèi)星全都在反射太陽(yáng)光，而隨著太陽(yáng)高度逐漸降低，發(fā)光的衛(wèi)星逐漸減少，在天文昏影終時(shí)發(fā)光的衛(wèi)星僅剩一半左右。在半夜前后只有4小時(shí)左右上空基本沒(méi)有發(fā)光的衛(wèi)星，也就是說(shuō)在這段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行天文觀測(cè)可以認(rèn)為是“安全的”。

對(duì)于北緯40°，冬至?xí)r天空中沒(méi)有發(fā)光衛(wèi)星的時(shí)間較長(zhǎng)，而夏至?xí)r整夜天空中都有發(fā)光衛(wèi)星。對(duì)于赤道附近的低緯度地區(qū)情況比中緯度略好，并且年度變化不明顯。對(duì)于南北極地區(qū)，衛(wèi)星的影響也是存在的。如南極昆侖站，當(dāng)?shù)貥O夜開(kāi)始時(shí)會(huì)有幾十顆衛(wèi)星都是整夜可見(jiàn)的，而當(dāng)?shù)囟習(xí)r可見(jiàn)衛(wèi)星也相當(dāng)多。

尾聲

當(dāng)星鏈衛(wèi)星在軌道上分散開(kāi)之后，對(duì)于天空的“污染”是顯而易見(jiàn)的。我們的天空并沒(méi)有被完全奪去，但是光學(xué)天文觀測(cè)會(huì)被逼到墻角，可用的觀測(cè)時(shí)間會(huì)大大縮短。很多望遠(yuǎn)鏡單張曝光可能會(huì)長(zhǎng)達(dá)15分鐘，而這期間有很大可能會(huì)有一顆衛(wèi)星闖入照片，使得整個(gè)照片功虧一簣。這些軌跡確實(shí)可以通過(guò)算法去除，但是這些步驟會(huì)不可避免地在圖片中留下不可見(jiàn)的瑕疵，使得數(shù)據(jù)變得不再可靠。

隨著星鏈衛(wèi)星的發(fā)射，這些“衛(wèi)星火車”過(guò)境也成了一個(gè)熱門(mén)的天文現(xiàn)象，堪比逐漸消失的“銥星閃光”現(xiàn)象。但是銥星系統(tǒng)只有幾十顆衛(wèi)星，同一地點(diǎn)觀測(cè)到銥星閃光的頻率也只有一天一次左右。如果銥星閃光頻率增加幾百倍，恐怕人們對(duì)它的看法就會(huì)非常不一樣。