這是2020年7月10日晚在新西蘭首都惠靈頓郊外拍攝的星空

　　由于人造衛星和空間碎片帶來的光污染影響，地球上的人們能夠觀察純凈黑夜的機會正在迅速減少。隨著人造衛星數量的急劇增加，受其影響的天文觀測結果可能無法再用于科學研究。

文/宋宇佳 茍利軍

編輯/張海鑫

　　在科幻小説《三體》中，外星人的“智子”鎖死了地球科技；現實中沒有“智子”，但繁多的人造衛星和空間碎片，卻可能先一步“封鎖”地球天文學。

　　近日，英國《自然·天文學》雜志發表係列文章，專門探討了人造衛星和空間碎片對夜空亮度的影響。不斷增加的“太空垃圾雲”，將光反射回地球，這讓天文學界嚴重憂慮：光污染的潛在影響，以及它對地面望遠鏡和空間望遠鏡的潛在幹擾。

　　由于人造衛星和空間碎片帶來的光污染影響，地球上的人們能夠觀察純凈黑夜的機會正在迅速減少。隨著人造衛星數量的急劇增加，受其影響的天文觀測結果可能無法再用于科學研究。

黑夜危機

　　衛星、火箭的成功發射標誌著科技的進步，能給人們帶來巨大的喜悅。但在此之後，被遺棄的人造物體留在了太空中：小至燃燒殘渣、大到被遺棄的多級火箭，經歷光榮的一生，搖身一變成為了太空垃圾，這些留在太空的人造物體被統稱為空間碎片。它們以軌道速度運作，蘊含了巨大的動能。更可怕的是，每一次空間碎片的相互碰撞非但不會讓其互相湮滅，反而會産生更多的碎片，這一效應被稱為凱斯勒現象。而一旦航太器與空間碎片相撞，就可能會嚴重受損，這種情況的發生已很常見。

　　人造衛星是現代科技發展的成果之一，為人類提供了很多有用的資訊。但是自1957年發射第一顆人造衛星以來，近地軌道空間發生了翻天覆地的變化。從2019年到現在，近地軌道上的衛星數量翻了一倍，數千顆人造衛星形成了一個龐大的係統：衛星星座。這些人造衛星被放置在一組互補的軌道平面上，以此實現接近對全球的覆蓋。截至目前，據統計，在軌的有效載荷和空間碎片數量總計約為45900個。近地軌道空間日益擁擠，使得凱斯勒現象發生的概率也隨之增大。

　　光污染影響著地球上的每個區域，這並不是什麼新鮮事，越是發達的城市，夜晚越是燈火通明。但是很少有人關心我們正在失去的黑夜和星空。夜間的人造光是一種人為的污染物，黑夜很容易遭受各種類型的光污染，而巨大的衛星星座和無數的空間碎片所産生的光污染，正在對天文學構成越來越嚴重的威脅，夜空正在經歷災難級的，甚至是半永久性的轉變。這種現象堪稱前所未有，且目前來看還沒有什麼監管手段可以對其進行限制。

無處安放的天文臺

　　被污染的夜空，會對天文望遠鏡的選址産生什麼影響呢？

　　大量的空間碎片增加了漫射的亮度，這會對望遠鏡選址産生極大的阻礙，有人在巨型衛星星座時代開始之前就估計，太空物體已經貢獻了約為自然背景水準10%的額外的光。大型物體（比如完整的衛星）會對夜空亮度産生很小但不可忽略的影響，而小的空間碎片造成的影響則更大，雖然目前還很難找到關于繞地球軌道運作、小于10釐米的物體數量的公開資訊，但科學家預估，可能會碰撞損害衛星的釐米級空間碎片達到100萬量級。因此，即便從現在起減緩新發射衛星的頻次甚至完全停止發射，由于現有衛星仍會産生新的碎片，地球上夜空亮度仍會增加，目前也仍舊缺少有效的緩解方案。

　　天文學家們很清楚這一點：隨著時間的推移，將不得不把新的望遠鏡逐漸放置在離城市越來越遠的地方。從前，天文臺選址大多是在城市或者近郊，由于光污染增加，如今這些天文臺逐漸成為了歷史遺跡和地標文物，已經不能再進行科學觀測和研究了。今天，要找到可以同時滿足望遠鏡天文觀測全部條件（視寧度高、夜天光低等）的地方越來越難了，天文臺選址則更加困難。

　　即使我們將望遠鏡設置在偏遠地區，空間碎片對夜天光的貢獻是全方位的，科學家要想探測更暗弱的天體，就需要更高的監測極限，這很可能讓我們錯過一些重要的發現。

　　人造衛星和太空垃圾還會對地面望遠鏡的觀測産生影響。衛星和殘留的發射碎片（統稱為空間碎片）在太陽光的照射下，會在地基望遠鏡的光學和紅外圖像中造成條紋或軌跡，這可能會帶來數據失真；衛星直接或間接産生的無線電信號也會對射電天文望遠鏡産生影響，到達地面的衛星輻射如果直接照射到射電望遠鏡上，甚至可能損壞敏感的射電探測器；夜空亮度增加後，需要用更長的觀測時間來對暗弱的天體源進行曝光，這將增加數據收集的成本。同時，這些因素還會導致望遠鏡觀測領域競爭加劇，擁有更好資源的機構會獲得越來越多的觀測機會，從而進一步導致機會不均等現象的發生，使觀測的多樣性受到損害。

　　據悉，美國薇拉·魯賓天文臺將對光學天空進行一次史無前例的、長達10年的調查，稱為“時空遺産調查”（Legacy Survey of Space and Time,LSST），據估計，如果美國太空探索技術公司（SpaceX）的“星鏈”星座衛星群實現其42000顆衛星的成功組網，那麼多達30%的LSST圖像將包含至少一個衛星軌跡。未來，如果“星鏈”全面擴建，再加上英國一網公司（OneWeb）約48000顆的衛星發射計劃實施完成，那麼在南半球夏季的幾個月裏，預計大麥哲倫雲上每30秒的曝光將包含至少一個衛星軌跡。由于這些衛星提高了夜晚天空的亮度，觀測者不得不通過增加曝光時間來拍攝暗弱的物體，這導致了每年需增加2180萬美元成本用來維護和運作望遠鏡。

掩上研究廣袤星空宇宙的大門

　　短暫的衛星閃爍對于天文學研究的影響究竟有多大，在很大程度上還是未知的。但是已經出現過科學研究被人造衛星影響的例子：曾有人觀測到短暫微弱的源，最初人們猜想它是一種奇特的天體物理現象，但最後認定它是由于衛星幹擾觀測造成的現象。隨著人造衛星的數量急劇增加，也許在未來這種情況會變得司空見慣。

　　為降低望遠鏡因受到空間碎片和衛星軌跡幹擾對圖像造成的影響，人們已開發出一些修正軟件，但這種方法終究是不完美的，也並不是所有的影響都能被消除。這些修正軟件可能會損失掉一些正常的天體信號，影響觀測設備的功能發揮甚至阻礙新發現的産生。總之，它會減少未來從地面上觀測天文現象並得到新發現的機會。

　　而想要將天文望遠鏡完全轉移到太空也是不現實的，由于技術的限制，我們很難把大口徑的望遠鏡設備發射到天空然後進行科學觀測。更何況，大型設備對于現代和未來天文學的發展不可或缺。我們不可能放棄地面觀測的機會。

　　除了地面上的天文研究，和人造衛星同處于近地軌道的天基望遠鏡也同樣面臨光污染問題。英國《自然·天文學》近日發表的一篇文章，報道了人造衛星對處于近地軌道的哈勃望遠鏡的觀測污染情況。通過分析2002年到2021年哈勃望遠鏡拍攝的存檔圖像，研究者發現，在每一個獨立的曝光時間，圖像中都會有2.7%的部分留有衛星穿過的條紋痕跡，並且衛星的運動軌跡會隨著時間推移而增加。文章預言，隨著人造衛星和空間碎片數量的增加，到2030年代，處在距離地球表面850公里高度的10萬顆人造衛星中有一顆飛越哈勃望遠鏡並在其圖像中留下條紋殘影的概率在33%～41%之間，這將使受到影響的哈勃望遠鏡觀測圖像的數量增加一個數量級。

　　而處于近地軌道上層（距離地球表面高度1000～2000公里）的衛星將會更頻繁地出現在觀測圖像中，因為它們的位置更高，可見比例也更大，而且運作中會産生更窄的軌跡。位置較低的近地軌道衛星出現在觀測圖像中的頻率雖然低，但是它們産生的軌跡更寬。盡管利用代碼工具，可以掩蓋衛星條紋，但是對于寬度超過十幾個像素的衛星軌跡，修正仍然是十分困難的。在這種情況下，觀測結果不可以用于科學研究。

　　哈勃望遠鏡並不是唯一受人造衛星影響的空間望遠鏡。近地軌道上的其他望遠鏡，比如歐洲航太局（ESA）的係外行星特性探測衛星（CHEOPS）和美國國家航空航太局（NASA）的近地天體廣域紅外巡天探測器（NEOWISE），同樣會受到人造衛星的影響，因為它們的軌道低于許多當前衛星所處的軌道。目前，只有遠離人造衛星和空間碎片的空間望遠鏡，比如詹姆斯·韋布空間望遠鏡，才可以免受近地軌道和地面上的望遠鏡正面臨的日益嚴重的影響。

　　對于即將發射的大視場近地軌道望遠鏡，它們未來受到的影響會更加顯著。比如計劃在2024年發射的中國巡天空間望遠鏡，其視場約為哈勃望遠鏡的300倍，更大的視場使得其更容易受到人造衛星軌跡的影響。

暗夜守護行動

　　2月23日，英國巴德西島獲得了國際暗夜協會（IDA）頒發的歐洲首個國際暗夜保護區認證，由此成為全球范圍被公認擁有地球上最偏僻、最黑暗夜空的17個地方之一。

　　為了保存和保護夜間的特殊風貌，國際暗夜協會有著國際暗天地點計劃：實行保存並保護理想的黑暗夜空觀測地點認證，只有經過廣泛監測後才能加入保護名單，目前全球范圍入選保護地名錄的區域僅300多個。

　　近期，深圳西涌獲得了IDA認證，這是國內首個國際暗夜社區。與暗夜保護區不同，暗夜社區在具有人類生活、生産的區域，在保證安全、生活和生産的前提下，對區域內的照明進行科學改造升級，來實現對黑暗夜空的保護。經過照明設計改造後的西涌社區暗夜環境和生態環境得到明顯提升，晴天條件下的天光背景和極限星等均得到改善，螢火蟲種群數量顯著增多，西涌已成為粵港澳大灣區小有名氣的天文觀星勝地。

　　4月10日，深圳西涌國際暗夜社區授牌活動在深圳市天文臺舉行。活動期間，深圳還舉辦了“黑暗與寧靜天空保護主題論壇”。國際暗夜協會的暗天項目助理安柏-哈裏森表示：“西涌國際暗夜社區表明，利用周到的照明設計創造一個安全的夜間環境，使社區受益並保護自然界是可能的。西涌暗夜社區將人與自然結合在一起，並為其他人樹立了一個榜樣。”西涌暗夜社區對國內乃至全球的大城市而言，可以説貢獻了一個很好的暗夜保護示范。

　　我們頭頂上的這片星空，見證了數千年人類社會的發展，到了今天，密集的人造衛星，正在使越來越多微弱的天體物理信號消失在巨型衛星星座的噪聲中，人類在地面能看到的星星也越來越少。為了未來的太空探索和研究，也為了人類能繼續仰望璀璨星空，我們更應該重視起人造衛星和空間碎片對于夜天光以及天文觀測的影響，保護好引發人類無限遐想的深邃太空。

　　（宋宇佳係中國科學院國家天文臺博士研究生；茍利軍係中國科學院國家天文臺研究員、中國科學院大學教授）

來源：2023年5月3日出版的《環球》雜志 第9期

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