กรณีสิ่งแวดล้อมอวกาศ

ในการพิจารณาผลกระทบของดาวเทียมต่อการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ เราต้องคำนึงว่าแหล่งกำเนิดมลพิษทางแสงแต่ละแหล่งอาจมีความสว่างกว่าวัตถุที่นักดาราศาสตร์ศึกษาหลายพันล้านหรือหลายล้านเท่า และการสังเกตการณ์ที่สำคัญที่สุดทางวิทยาศาสตร์หลายครั้งเกี่ยวข้องกับเวลาที่ทำซ้ำไม่ได้ -เหตุการณ์ที่ละเอียดอ่อนหรือชั่วคราว—เช่น การตรวจจับวัตถุใกล้โลก ซุปเปอร์โนวา หรือการระเบิดของคลื่นวิทยุอย่างรวดเร็ว

ดาราศาสตร์เชิงแสง

ASO สามารถมองเห็นได้จากโลกเพราะสะท้อนแสงอาทิตย์ ความสว่างขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น ขนาดของดาวเทียม คุณสมบัติการสะท้อนแสง ความสูงเหนือพื้นโลก และทิศทางของดาวเทียม เมื่อดาวเทียมเคลื่อนผ่านมุมมองของการเปิดรับแสงทางดาราศาสตร์ ดาวเทียมจะทิ้งเส้นริ้วไว้บนภาพ (รูปที่ 4) สำหรับความเสียหายที่เกิดจากดาวเทียมในปี 2564 ดูอ้างอิง6,7,8,21 และอ้างอิงในนั้น หากต้องการทราบผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้ ให้พิจารณาประชากรดาวเทียม LEO แบบง่ายในยุค 2030 ของเราที่มีดาวเทียม 100,000 ดวงที่ความสูง 600 กม.

รูปที่ 4: ภาพท้องฟ้าที่ถ่ายโดยกล้อง Dark Energy Survey ในปี 2019
รูปที่ 4

แม้ว่าในเวลานั้นจะมีดาวเทียม Starlink ค่อนข้างน้อย แต่ผลกระทบ (ริ้วบนภาพ) นั้นรุนแรงเพราะดาวเทียม Starlink จำนวนมากรวมตัวกันเป็นก้อนในช่วงระยะการโคจรหลังการปล่อยไม่นาน เครดิต: CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/DECam DELVE Survey

มีเพียงดาวเทียมบางดวงเท่านั้นที่มองเห็นได้เหนือขอบฟ้าในเวลาที่กำหนด สำหรับประชากรในยุค 2030 ของเรา ประมาณ 4,300 คนอยู่เหนือขอบฟ้า ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง และพวกเขาข้ามท้องฟ้าในเวลาประมาณ 13 นาที สำหรับมุมมองเล็กๆ น้อยๆ อาจมีโอกาสเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ที่จะได้รับผลกระทบจากสตรีค แต่การสังเกตอาจสูญเปล่าโดยสิ้นเชิงและจำเป็นต้องทำซ้ำ22. ผลกระทบที่ร้ายแรงกว่านั้นจะเกิดขึ้นกับเครื่องมือสำรวจในวงกว้าง Zwicky Transient Facility ได้เห็นภาพที่ได้รับผลกระทบเพิ่มขึ้นจาก 0.5% ในปลายปี 2019 เป็น 18% ในเดือนสิงหาคม 202121. ตัวสร้างภาพภาคสนามขนาดกว้าง 3.5 องศาของหอดูดาว Vera C. Rubin ใกล้จะเสร็จสมบูรณ์ในชิลี จะมีอย่างน้อยหนึ่งสตรีคในการเปิดรับแสงส่วนใหญ่23. การทดลองในห้องปฏิบัติการโดยใช้เครื่องตรวจจับด้วยกล้องสังเกตการณ์ Rubin Observatory แสดงให้เห็นว่าครอสทอล์คแบบอิเล็กทรอนิกส์ทำให้เกิดเส้นริ้วและทำให้เกิดเส้นริ้วที่จางกว่า ผลกระทบนี้อาจทำให้การวิเคราะห์ทางวิทยาศาสตร์บางอย่างเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากสถิติของความสว่างของท้องฟ้าในพื้นหลังจะเปลี่ยนแปลงไปโดยไม่สามารถเพิกถอนได้ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาครอสทอล์ค ดาวเทียมจะต้องไม่สว่างกว่าขนาดที่เจ็ด สว่างกว่าดาวที่จางที่สุดที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าในบริเวณที่มืดที่สุด23.

นอกจากนี้ เมื่อวัตถุในอวกาศหมุนไป แสงแฟลชชั่วขณะหรือ ‘แสงแวบ’ สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากด้านหรือองค์ประกอบสะท้อนแสงโดยเฉพาะของดาวเทียมสะท้อนแสงอาทิตย์ต่อผู้สังเกตการณ์บนพื้นมากขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ24,25. ตัวอย่างเช่น ดาวเทียม Starlink มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจากขนาดจางกว่าขนาดที่หกเป็นขนาดเกือบสาม26. เหตุการณ์ (ชั่วคราว) ที่สว่างและสว่างอย่างยิ่งเหล่านี้สามารถเลียนแบบปรากฏการณ์ที่น่าตื่นเต้นที่สุดในดาราศาสตร์สมัยใหม่ได้ การศึกษาในปี 2020 ระบุว่าแสงแฟลชดังกล่าวเป็นสัญญาณของรังสีแกมมาที่ระเบิดที่ขอบจักรวาล ซึ่งอาจเป็นการค้นพบที่น่าตื่นเต้นอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม หนึ่งปีต่อมา พบว่าแสงแฟลชนี้เกิดจากแสงแดดที่สะท้อนจากชิ้นส่วนจรวดโปรตอนรัสเซียเก่า27. เรายังไม่ทราบว่าปัญหาประเภทนี้จะเกิดขึ้นบ่อยเพียงใดเมื่อประชากร LEO เติบโตขึ้น

เมื่อโลกบดบังดาวเทียม ดาวเทียมจะไม่ส่องสว่างจากมุมมองของผู้สังเกตการณ์บนโลกอีกต่อไป (อย่างไรก็ตาม ASOs ปล่อยโฟตอนความร้อนและส่งผลต่อการตรวจจับอินฟราเรดแม้ในคราส) ด้วยเหตุนี้ ผลกระทบของกลุ่มดาวบริวารต่อการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์จึงรุนแรงที่สุดในตอนต้นและตอนปลายของคืน อย่างไรก็ตาม การสังเกตบางประเภทต้องทำในช่วงเวลาดังกล่าว และเศษของคืนที่ได้รับผลกระทบขึ้นอยู่กับความสูงของกลุ่มดาว ละติจูดทางภูมิศาสตร์ของหอดูดาว และช่วงเวลาของปีอย่างมาก3,21,28. นอกจากนี้ การสังเกตใกล้พลบค่ำจะเห็นเส้นริ้วมากที่สุด และนั่นเป็นช่วงเวลาเดียวกันเมื่อควรค้นหาวัตถุใกล้โลก ด้วยเหตุนี้ ประชากรดาวเทียมในยุค 2030 ของเราจะค้นพบดาวเคราะห์น้อยที่อยู่ใกล้โลกน้อยลง ซึ่งรวมถึงดาวเคราะห์ที่อาจโคจรผ่านวงโคจรของโลกด้วย สิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นปัจจัยที่ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบในการประเมินสิ่งแวดล้อม

ดาราศาสตร์วิทยุ

ดาราศาสตร์วิทยุได้รับผลกระทบจากดาวเทียมที่ใช้สัญญาณวิทยุเพื่อถ่ายทอดข้อมูลไปมากับสถานีภาคพื้นดินและเสาอากาศของผู้ใช้ปลายทาง การตรวจจับวัตถุท้องฟ้าจางๆ บนพื้นหลังของมนุษย์อาจเป็นปัญหาได้ เนื่องจากการปล่อยก๊าซจากดาวเทียมสามารถดังกว่าเป้าหมายทางดาราศาสตร์ได้ล้านล้านเท่า3,4. ในการสังเกตบางอย่าง แผนที่ที่มีรายละเอียดประณีตถูกสร้างขึ้นโดยการรวมสัญญาณจากเสาอากาศที่เชื่อมโยงกันจำนวนมาก แต่ปัญหาด้านสัญญาณรบกวนส่งผลกระทบต่อเสาอากาศแต่ละอัน ซึ่งฟิสิกส์กำหนดจะมีความอ่อนไหวต่อทิศทางและความถี่ที่หลากหลายเสมอ เอฟเฟ็กต์นี้ไม่ใช่ภาพต่อเนื่อง แต่เป็นเอฟเฟกต์ที่ซับซ้อนทั่วทั้งแผนที่ ซึ่งยากต่อการจดจำและลบออก เหมือนกับการพยายามฟังเพลงที่เงียบมากในห้องที่มีเสียงดัง เสาอากาศดาราศาสตร์วิทยุมีความไวต่อช่วงของทิศทางโดยทั่วไปน้อยกว่าหนึ่งองศา (‘ลำแสงหลัก’) แต่ก็มีความไวลดลงในทิศทางที่แตกต่างกันอย่างมาก (‘sidelobes’) ในทำนองเดียวกัน เสาอากาศรับสัญญาณดาวเทียมจะปล่อยพลังงานส่วนใหญ่ในลำแสงหลัก แต่ก็มีบางส่วนในแถบด้านข้างด้วย ผลกระทบที่เลวร้ายที่สุด ซึ่งอาจสร้างความเสียหายให้กับระบบรับสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อน จะเห็นได้จากการจัดแนวระหว่างลำแสงหลักทางดาราศาสตร์และดาวเทียม ซึ่งกันไม่ให้การสังเกตการณ์ทางวิทยุใกล้กับเป้าหมาย GSO และควรหลีกเลี่ยงแม้กระทั่งกับดาวเทียม LEO ที่เคลื่อนที่เร็ว อย่างไรก็ตาม การจัดตำแหน่ง Sidelobe–sidelobe นั้นยากกว่ามาก เนื่องจากอาจมีดาวเทียม LEO หลายสิบหรือหลายร้อยดวงบนท้องฟ้าในคราวเดียว และพวกเขาทั้งหมดเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วผ่านท้องฟ้า เอฟเฟกต์สุทธินั้นคำนวณยากมาก แต่การจำลองโดยโปรเจ็กต์ Square Kilometer Array29 แสดงให้เห็นว่าเมื่อประชากร Starlink ที่โตเต็มที่อยู่ในวงโคจรแล้ว การสังเกตทุกอย่างในกลุ่มที่เกี่ยวข้องจะใช้เวลานานขึ้นโดยเฉลี่ย 70%

ข้อบังคับระหว่างประเทศเกี่ยวกับการใช้สเปกตรัมวิทยุกำหนดแถบความถี่ที่ได้รับการป้องกันไว้บางส่วนสำหรับดาราศาสตร์วิทยุ วิธีนี้แต่เดิมประสบความสำเร็จอย่างมาก อย่างไรก็ตาม แถบป้องกันถูกเลือกเมื่อหลายสิบปีก่อน เมื่อระบบรับสัญญาณเป็นแบบวงแคบภายใน ดาราศาสตร์วิทยุสมัยใหม่ส่วนใหญ่ดำเนินการด้วยระบบบรอดแบนด์ที่ล้ำสมัย ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจจับสัญญาณธรรมชาติที่อ่อนแอกว่าได้มาก ผลที่ตามมาก็คือ การปกป้องดาราศาสตร์วิทยุในปัจจุบันจึงต้องอาศัยเขตเงียบของวิทยุตามภูมิศาสตร์ ซึ่งบางประเทศมีให้และบางประเทศไม่มี หากทำได้ การแบ่งเขตนี้สามารถป้องกันการรบกวนจากภาคพื้นดิน แต่ไม่สามารถป้องกันการรบกวนจากดาวเทียมได้ เมื่อการรบกวนดังกล่าวถูกครอบงำโดยดาวเทียม GSO ที่เคลื่อนที่ช้าจำนวนเล็กน้อย สิ่งนี้เป็นที่ยอมรับ แต่กลุ่มดาว LEO ใหม่อาจนำไปสู่ปัญหาร้ายแรง ระบบใหม่นี้จะทับซ้อนกับคลื่นความถี่การสื่อสารผ่านดาวเทียมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ นอกจากนี้ การผลิตและใช้งานดาวเทียมที่มีราคาค่อนข้างต่ำจำนวนมากมีแนวโน้มจะเพิ่มโอกาสที่แถบด้านข้างจะรั่วเข้าไปในแถบป้องกัน

สำหรับปัญหาการรบกวนเชิงพื้นที่ การกำหนดแถบป้องกันได้กำหนดไว้ล่วงหน้า เนื่องจากการรบกวนความถี่จะรับรู้โดยปริยายว่าเป็นผลต่อสิ่งแวดล้อม การตระหนักว่าปัญหาควรอยู่ภายใต้กฎหมายสิ่งแวดล้อม เช่น พระราชบัญญัตินโยบายสิ่งแวดล้อมแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (NEPA) เป็นขั้นตอนต่อไปที่สมเหตุสมผล เนื่องจากปัญหาเลวร้ายลงมาก

ดาราศาสตร์อวกาศ

ยานอวกาศบางลำที่ใช้สำหรับดาราศาสตร์อยู่ห่างจากโลกมาก และไม่ได้รับผลกระทบจากดาวเทียม LEO อย่างไรก็ตาม หลายคนเช่นกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลอยู่ใน LEO และสามารถทนทุกข์ทรมานจากการเป็นสายได้อย่างแน่นอน ในบางครั้ง ดาวเทียมอาจเคลื่อนผ่านค่อนข้างใกล้ (<100 กม.) ซึ่งในกรณีนี้ ริ้วที่เกิดขึ้นจะเป็นแถบที่อยู่นอกโฟกัสที่สว่างมาก ซึ่งทำให้ส่วนสำคัญของภาพหายไป ตัวอย่างแสดงในรูปที่ 5 การศึกษาล่าสุดโดย S. Kruk et al. (ต้นฉบับในการเตรียมการ) แสดงให้เห็นว่า ขึ้นอยู่กับเครื่องมือและพารามิเตอร์การสังเกตที่ใช้ ภาพถ่ายกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลระหว่าง 2% ถึง 8% ได้รับผลกระทบจากเส้นดาวเทียม แต่ความถี่ก็เปลี่ยนไปตามเวลาซึ่งสะท้อนถึงการเติบโตของ ประชากรดาวเทียม LEO ประชากรในยุค 2030 ของเราระบุว่าภายในสิ้นทศวรรษ 1 ใน 3 ของภาพจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลจะได้รับผลกระทบ เช่นเดียวกับภารกิจทางวิทยาศาสตร์ที่อิงตาม LEO ในอนาคต เช่น หอดูดาว Xuntian Wide Field ที่สร้างขึ้นสำหรับสถานีอวกาศจีน

รูปที่ 5: การสังเกตการณ์โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลในเดือนพฤศจิกายน 2020
รูปที่ 5

ดูเหมือนว่าสตรีคสร้างโดย Starlink 1619 ซึ่งอยู่ห่างจากฮับเบิลเพียงไม่กี่กิโลเมตรในขณะนั้น ทำให้เกิดเส้นทางนอกโฟกัสที่กว้าง เครดิตภาพ: Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST) วิทยาศาสตร์ PI: Simon Porter

การบรรเทา ความเสียหาย และค่าใช้จ่าย

ชุมชนดาราศาสตร์นานาชาติได้จัดประชุมหลายครั้งเพื่อหารือถึงวิธีการจัดการกับภูมิทัศน์ใหม่ของดาวเทียม LEO ที่สว่างไสวมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งนำไปสู่รายงานสำคัญ6,7,8,9,10. รายงานโดย JASON หน่วยงานที่ปรึกษาอิสระของรัฐบาลสหรัฐฯ ได้รับมอบหมายจาก National Science Foundation4. นักดาราศาสตร์ได้ร่วมมือกับบริษัทดาวเทียมเพื่อหารือเกี่ยวกับวิธีการบรรเทาปัญหา สำหรับดาราศาสตร์เชิงแสง แนวคิดนี้ได้รวมเอาแนวคิดต่างๆ เช่น การวาดดาวเทียมให้เป็นสีดำ การเปลี่ยนวงโคจรและทิศทาง การเพิ่มบังแดด และการระบุตำแหน่งและวิถีโดยละเอียดเพื่อให้หอดูดาวสามารถหลีกเลี่ยงการชี้ไปที่วัตถุเหล่านี้ได้ สำหรับดาราศาสตร์วิทยุ มาตรการบรรเทาผลกระทบที่สำคัญ ได้แก่ การเปลี่ยนเส้นทางลำแสงออกจากหอสังเกตการณ์หลักและใช้การกรองสัญญาณที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม ไม่มีการบรรเทาใด ๆ เหล่านี้สามารถหลีกเลี่ยงกลุ่มดาวดาวเทียม LEO ที่เป็นอันตรายต่อวิทยาศาสตร์ดาราศาสตร์ได้อย่างเต็มที่7,8,10; การปล่อยดาวเทียมน้อยลงอย่างมากเป็นเพียงการบรรเทาปัญหาเดียวที่สามารถทำได้

ผลที่ตามมาของการเติบโตของกลุ่มดาวดาวเทียมในปัจจุบันและที่เสนอนั้นมีค่าใช้จ่ายโดยตรงจากการสังเกตซ้ำหรือขยายเวลา การเสียเวลาของนักวิทยาศาสตร์ และแม้แต่ส่งผลเสียต่ออาชีพการงาน การดำเนินการบรรเทาผลกระทบจะกำหนดค่าใช้จ่ายจำนวนมากในชุมชนดาราศาสตร์ (และผู้เสียภาษีอากร) บริษัท ผู้ให้บริการดาวเทียมหรือทั้งสองอย่าง เราไม่พยายามประเมินค่าใช้จ่ายเหล่านั้นที่นี่ แต่เราชี้ให้เห็นว่านี่เป็นตัวอย่างคลาสสิกของความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งทำให้ต้นทุนที่แท้จริงเป็นปัจจัยภายนอก เพื่อยกตัวอย่าง ข้อสรุปที่สำคัญอย่างหนึ่งจากคณะทำงานสังเกตการณ์ของการประชุมเชิงปฏิบัติการกลุ่มดาวดาวเทียม 2 (SATCON2) ซึ่งจัดขึ้นในปี พ.ศ. 25648 จำเป็นต้องจัดตั้งศูนย์สังเกตการณ์ดาวเทียมภายใต้ร่มเงาของ International Astronomical Union Center for the Protection of the Dark and Quiet Sky from satellite Constellation Interference ที่ใหญ่กว่า30. กิจกรรมบรรเทาผลกระทบระยะยาวดังกล่าวจะต้องใช้ทรัพยากรที่ยั่งยืนอย่างมีนัยสำคัญ

เราทราบว่าคำสั่งของคณะกรรมการกลางกำกับดูแลกิจการสื่อสารแห่งสหรัฐอเมริกาภายใต้การหารือทางกฎหมายในปัจจุบันนั้นค่อนข้างถูกต้อง สนับสนุนให้ SpaceX มีส่วนร่วมกับชุมชนดาราศาสตร์ต่อไป อย่างไรก็ตาม ความร่วมมือที่มีประสิทธิผลเหล่านี้ควรดำเนินการภายใต้บริบทและแนวทางของการประเมินสิ่งแวดล้อม

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*