Czy satelity Muska przeszkodzą w obserwacjach nieba? Odpowiedź jest niejednoznaczna

Przelatujący nad naszymi głowami nocą satelita przypominający wolno poruszający się bardzo daleko samolot, który nie mruga światłami pozycyjnymi, to wdzięczny obiekt do obserwacji. Nie da się temu zaprzeczyć. A gdy jeszcze uda się nam zaobserwować i sfotografować Międzynarodową Stację Kosmiczną, dla gołego oka jasną szybka plamę, to satysfakcja gwarantowana. Chyba, że wolicie bawić się klockami Lego, to z nich też można zbudować MSK.

W czasach zimnej wojny „zjawisko przelatującego satelity” tłumaczono często obserwacjami szpiegowskimi, ale nad Ziemią krążą nie tylko tego typu satelity. Dotychczas problem satelity, który został uchwycony na zdjęciach astronomicznych, psując je niczym niepożądany bohater pierwszego planu, nie istniał. A już na pewno nie był istotny. Aż do teraz. Nadeszła bowiem era satelitarnego internetu.

Satelity Starlink umieszczone w luku bagażowym górnego członu rakiety oczekuja na start (fot:SpaceX)

Gdzie leży źródło problemu

Satelity, które znajdują się na orbicie geostacjonarnej około 36 tysięcy kilometrów od naszej planety w ogóle nie są tutaj tematem dyskusji. One są nie tylko już bardzo daleko, ale też nie zmieniają swojego położenia względem obserwatora, więc są „nie do wykrycia”, ewentualnie można je łatwo wyeliminować z obserwacji. Do takich satelitów zaliczyć można niektóre pojazdy badawcze, telekomunikacyjne. Satelity tworzące systemy GPS również obiegają Ziemię daleko, ale ich orbity są eliptyczne i nie zajmują one wciąż tej samej pozycji. Nadal jednak nie stanowią problemu.

Kluczowe dla odpowiedzi na tytułowe pytanie są te obiekty, które umieszczono na niższych orbitach i które z tego powodu nie zachowują stałej pozycji względem obserwatora. Są wciąż w ruchu względem obserwatora, odbijają światło słoneczne silniej niż te na orbicie geostacjonarnej, a to oznacza że na zdjęciach nieba dadzą o sobie znać na zdjęciach jako jasne plamy, świetlne linie rujnując wartość naukowych obserwacji.

Najbardziej oczywistym przykładem takich kosmicznych „śmieci”, które mogą stać się udręką dla astronomów, są satelity telekomunikacyjne z nowej generacji obiektów udostepniających łączność internetową. W dalszej części tekstu nazwę je satelitami internetowymi.

Pociąg 19 satelitów Starlink widoczny na 5,5 minutowej ekspozycji wykonanej teleskopem z obserwatorium na Cerro Tololo w Chile (fot: NSF’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory/CTIO/AURA/DELVE)

Nad projektem zasypania nieba takimi satelitami na orbitach od kilkuset do nieco ponad tysiąca kilometrów pracuje między innymi SpaceX. O konstelacji satelitów Starlink słyszał chyba każdy. Niektórzy mieli też zapewne okazję zobaczyć tzw. „pociąg satelitów” czyli satelity Starlink tuż po wyniesieniu przez rakiety, w trakcie wznoszenia się ku docelowej orbicie. To oczywiście zjawisko tymczasowe, dlatego również ono nie jest tematem rozważań, które przeprowadziło ESO, a także Międzynarodowa Unia Astronomiczna (IAU).

Jednak same satelity tego typu znalazły się w polu zainteresowania astronomów i budzą coraz większe ich obawy.

Co trzeba wiedzieć o charakterze obserwacji astronomicznych

W przypadku obserwacji astronomicznych i mam tu na myśli przede wszystkim obserwacje optyczne w świetle dzialnym istotne są pewne kwestie.

• obserwacje zwykle prowadzi się dla obiektów znajdujących się wyżej niż 30 stopni nad horyzontem, niżej obserwacje mocno zakłóca coraz grubsza warstwa atmosfery, którą musi pokonać światło docierające do teleskopu
• obserwacje mogą być prowadzone z krótkim i długim czasem naświetlania, te szybkie obserwacje łatwiej wpasują się w ewentualne „dziury” pomiędzy przelotem satelitów, te długie dają większe szanse, że coś przelatującego się załapie
• obserwacje mogą dotyczyć niewielkich wycinków nieba, nawet mniejszych niż rozmiar kątowy Księżyca, ale mogą być też obserwacjami wielkoskalowymi pokrywającymi całe niebo i duże jego połacie na jednej obserwacji, ten drugi typ obserwacji ponownie jest bardziej zagrożony
• sensory stosowane przez teleskopy astronomiczne są nastawione często na obserwacje słabych obiektów, satelita jest już bardzo jasnym celem, który całkowicie prześwietli obraz
• bardzo trudno jest dziś określić w jakim stopniu dany satelita w danej chwili będzie odbijał światło słoneczne, a zatem będzie przeszkodą dla obserwacji - błysk satelity, nawet chwilowy może zepsuć zdjęcie nawet gdy satelita jest poza polem obserwacji, ale w niewielkiej odległości

Konstelacje satelitów są także zagrożeniem dla obserwacji radiowych, ale ten temat jeszcze jest ewaluowany.

Satelity internetowe i ich wpływ na profesjonalne obserwacje

Jedną z instytucji, które przeprowadziły analizy jest ESO czyli Europejskie Obserwatorium Południowe. Zarządza ono jednymi z najważniejszych dla astronomii lokacjami. To między innymi obserwatorium VLT na górze Paranal w Chile, a także obserwatorium na szczycie La Silla również w Chile.

Pod uwagę wzięto takie instytucje jak SpaceX, Amazon, OneWeb, Facebook, które są na etapie tworzenia sieci satelitarnych nad Ziemią. Łącznie mamy około 18 przedsięwzięć, które doprowadzą do wyniesienia ponad 26 tysięcy obiektów na orbitę wokółziemską (tyle zakładają obecne analizy). Już sama liczba robi wrażenie, to ponad dwa razy więcej niż liczba satelitów jakie od początku ery kosmicznej wystrzelono w Kosmos. Obecnie funkcjonuje około 2300 z nich, a co najmniej drugie tyle znajduje się wciąż na orbicie, choć okres ich przydatności już minął.

Niebo nad obserwatorium Paranal. Dla astronomów istotne jest niebo wewnątrz środkowego niebieskiego okręgu. Na zielono symulowane pozycje satelitów, które przeszkadzać moga obserwacjom.

Na etapie rozwijania satelitarnej infrastruktury przez wspomniane firmy, ESO spodziewa się umiarkowanie negatywnego wpływu na obserwacje astronomiczne. Najbardziej zagrożone są kilkunastominutowe ekspozycje, które wykonuje się tuż po zmroku lub przed świtem. Około 3% wykonanych wtedy zdjęć będzie nieprzydatnych. W przypadku krótkich ekspozycji do kilku minut i krótszych, odsetek wyniesie tylko 0,5%.

Im bliżej środka nocy, czyli momentu gdy Słońce znajduje się najniżej pod horyzontem, tym mniej szkód wyrządzą satelity. 

Teleskopy ESO nie prowadzą jednak obserwacji wielkoskalowych. Z kolei LSST czyli obserwatorium im. Very Rubin, w którym znalazła się najpotężniejsza i najbardziej zaawansowana kamera cyfrowa w historii astronomii, ma czego się obawiać. Zależnie od momentu obserwacji nawet do 30-50% z nich będzie nadawało się w dużym stopniu do kosza. To obserwacje o szerokim polu widzenia i czasie trwania około 30 sekund.

Jak radzić sobie z przelatującymi satelitami?

Satelity nawet te najmniejsze mają jedną przyjemną cechę. Można dość dokładnie przewidzieć ich położenie na niebie. Teoretycznie zatem można opracować system, który będzie informował oprogramowanie teleskopu, które pozycje na niebie w danym momencie są niekorzystne.

Jednak dużo łatwiej jest to powiedzieć niż wykonać, szczególnie że tych kosmicznych szkodników będą w przyszłości dziesiątki tysięcy. Sama informacja o położeniu satelity to nie wszystko. Trzeba jeszcze uwzględnić jego orientację względem Słońca i w pewnym momencie może okazać się, że chwil, w których obserwacje będą komfortowe zrobi się niewiele.

Dobrze, to ile tych satelitów będzie nad naszymi głowami w danej chwili?

Analiza dostępnych astronomom danych wskazuje, że w danej chwili w szerokościach geograficznych odpowiadających położeniu Europy, a także południowoamerykańskich obserwatoriów, ponad horyzontem znajdzie się około 1600 satelitów ze wspomnianych internetowych konstelacji. W innych miejscach może to być nawet dwa, trzy razy więcej.

Prawda, że niewiele w porównaniu z ponad 26 tysiącami takich satelitów łącznie. Z tych 1600 satelitów większość będzie bowiem nisko nad horyzontem, nie wyżej niż 30 stopni. Tylko około 250 znajdzie się na wysokości gdzie zazwyczaj zaglądają astronomowie, nie tylko profesjonalni, ale i amatorzy. Dane IAU wskazują, że gdy nastanie astronomiczna noc (Słońce znajdzie się 18 stopni kątowych poniżej horyzontu) wspomniane liczby spadną do 1000 i około 160 satelitów powyżej 30 stopni nad horyzontem.

Najbardziej szkodzą odblaskowe satelity gdy znajdą się w pełnym świetle słonecznym ponad obserwatorium, czyli w zółtej części schematu

Jak widać, nie wszystkie satelity internetowe będą nam przeszkadzać, ale za kilka lat może okazać się, że wieczorne niebo zmieni się nie do poznania. Po zmroku i tuż przed wschodem Słońca na niebie zobaczymy gołym okiem nawet 100 takich satelitów internetowych. Na wysokości ponad 30 stopni nad horyzontem widoczne będzie około 10 takich obiektów. Ogólnie zakłada się, że liczba widocznych gołym okiem satelitów po wyniesieniu konstelacji internetowych na orbitę, wzrośnie co najmniej dwukrotnie.

Tak samo jak zwiększy się liczba obiektów większych niż 10 cm, które obiegają Ziemię. Dziś ich liczbę szacuje się na 34 tysiące, z czego większość to faktyczne kosmiczne śmieci. W tym odrzucone w trakcie startów człony rakiet i elementy satelitów. Dane na które się tutaj powołujemy zakładają konstelację 26 tysięcy satelitów. Sam Musk chce do 2025 roku umieścic na orbicie 12 tysięcy internetowych satelitów, a docelowo ma być ich nawet 40 tysięcy. Dlatego szacunki ESO czy IAU moga być słuszne, ale tylko dla pewnego momentu w historii.

Ucieczka astronomów poza duże miasta może okazać się chwilowym rozwiązaniem

Okazuje się, że zaświetlenie nieba miejskim oświelteniem, które zmusiło astronomów do przenoszenia się dalej i coraz to dalej od miast, może być tylko doraźnym działaniem. Bo nawet tam gdzie niebo wydaje się czyste, wkraczają nowe przeszkody w postaci wspomnianych satelitów internetowych. Dlatego NASA prosi obserwatorów nieba, również amatorów o pomoc w dokumentowaniu rosnącego "zanieczyszczenia" nieba. W ramach nowego projektu Satellite Streak Watcher.

Źródło: ESO, IAU, inf. własna, fot.wejsciowe/IAU, Eckhard Slawik

Więcej na temat badań Kosmosu:

• Nowy łazik ma już imię - poleci na Marsa szukać śladów życia
• Betelgeza przed i po - najsłynniejsza dziś gwiazda w obiektywie teleskopu VLT
• Najlepsze zdjęcie powierzchni Słońca - kulisy jego powstania i związek z podkręcaniem PC