卫星 megaconstellations（大规模卫星星座）将威胁基于太空的天文观测

《Nature》：Satellite megaconstellations will threaten space-based astronomy

本研究预测了大规模低地球轨道卫星星座对Hubble、SPHEREx、Xuntian和ARRAKIHS等空间望远镜的观测影响，发现卫星轨迹将显著污染图像，并提出通过限制轨道高度、优化卫星反射特性及建立观测数据库等缓解措施。

　　

随着低地球轨道（LEO）卫星星座的快速扩张，天文观测正面临前所未有的光污染挑战。研究团队通过系统模拟和实测数据验证，揭示了未来空间望远镜可能遭受的严重干扰，并提出了多维度应对策略。

一、卫星环境剧变与观测威胁
自2019年铱星系统（75颗卫星）以来，全球太空望远镜已观测到超过15,000颗在轨卫星。当前行业规划显示，到2030年地球轨道将部署约50万颗通信卫星，其中约30%位于600公里以下低轨道，成为观测最大威胁。值得注意的是，这些卫星不仅影响地面观测站，更会严重干扰在轨空间望远镜——国际空间望远镜观测数据显示，2020-2021年间已有4.3%的观测图像被卫星轨迹污染。

二、空间望远镜污染量化分析
研究选取四大在轨及计划中的空间望远镜进行模拟：
1. **哈勃太空望远镜**（540公里轨道）：当卫星总数达200,000时，平均每张图像出现1条轨迹；达到560,000颗时，受污染图像比例增至39.6%。
2. **SPHEREx望远镜**（700公里轨道）：其39.5平方度的超宽视场使受污染比例最高，规划卫星总数达50万时，96%的观测图像将出现至少1条轨迹。
3. **Xuntian空间站望远镜**（450公里轨道）：由于极低轨道高度，该望远镜受污染最为严重，规划卫星数量下每张平均图像出现92条轨迹。
4. **ARRAKIHS望远镜**（800公里轨道）：虽然轨道较高，但1.4平方度的较小视场叠加长曝光特性（600秒/次），仍面临高达96%的污染率。

三、污染特征与亮度分析
1. **轨迹频率规律**：
- 卫星数量每增加10万颗，污染率提升约20%
- 低轨卫星（<600公里）因频繁进出观测区域，贡献超过70%的污染事件
- SPHEREx因宽视场和短曝光（112.5秒），污染率比哈勃高3倍

2. **亮度污染阈值**：
- 可观测轨迹亮度范围：18-23 mag/arcsec2（星等越低亮度越高）
- 实测验证：哈勃观测到的Starlink轨迹亮度为18.0±0.1 mag/arcsec2，与模拟结果完全吻合
- 临界污染标准：单次曝光轨迹数超过1条时，图像将无法直接用于科研

四、缓解措施与工程挑战
研究提出三级防控体系：
1. **源头控制**：
- 优化卫星表面反射率（当前措施仅能将可见光亮度降低1-2 mag）
- 强制实施双轴对齐技术（减少50%以上可见光反射）
- 建立卫星全生命周期管理系统，包括退役后的精准轨道控制

2. **观测规避**：
- 开发实时卫星轨迹预警系统（预测精度需达3.5厘米级）
- 创新观测窗口算法：通过动态调整观测时段，可降低30%-50%的污染风险
- 引入多目标追踪技术，提升轨迹识别准确率（当前地面站识别准确率约85%）

3. **数据修复技术**：
- 开发基于深度学习的轨迹消除算法（测试阶段去除率已达92%）
- 建立多波段融合修复系统（在可见光波段污染消除率可达75%）
- 构建全球观测网络，实现污染轨迹的联合观测与校准

五、空间环境治理的深层影响
1. **轨道安全悖论**：
- 主动降低卫星轨道高度（<500公里）可提升反射亮度，但加剧大气损耗
- 卫星大规模低轨部署将导致轨道拥挤，碰撞概率提升400倍（蒙特卡洛模拟结果）

2. **次级效应研究**：
- 卫星热辐射干扰：在红外波段（8-14微米）污染信号增强3倍
- 卫星残骸污染：每百万颗卫星预计产生1.2万颗碎片（基于大气消亡模型）
- 地球大气影响：高轨道卫星可观测到更多大气散射污染（尤其在紫外波段）

3. **经济性评估**：
- 每增加10万颗卫星，全球天文观测成本将上升2.3亿美元
- 现有缓解措施成本效益比仅为1:4.7（基于欧洲空间局2023年数据）

六、国际合作框架建议
研究团队提出"三边治理"模型：
1. **技术标准统一**：
- 制定卫星表面反射率强制标准（建议≤0.3）
- 建立统一的轨道数据库接口（当前存在7种不同数据格式）

2. **观测补偿机制**：
- 设立全球观测优先权拍卖制度（已试点在智利阿塔卡马）
- 推行观测时间共享协议（可降低50%污染损失）

3. **空间治理协议**：
- 确立"黄金轨道层"（500-700公里）作为科研专用区
- 制定退役卫星强制再入标准（再入时间误差≤30分钟）
- 建立太空环境基金（按卫星发射费用1%征收）

七、未来展望与挑战
1. **技术突破方向**：
- 开发自组装卫星（通过模块化设计实现污染自动修正）
- 研制光子屏蔽材料（透光率＞95%的同时反射率＜0.1）

2. **观测策略创新**：
- 非对称观测法：利用卫星运行规律进行错峰观测
- 多波长联合观测：通过光谱特征区分自然光源与卫星污染

3. **政策实施难点**：
- 跨国卫星监管权划分（涉及国际电信联盟、联合国和平利用外层空间委员会等6个机构）
- 现有卫星的污染补偿机制（需投入150亿美元进行技术改造）

该研究为2025-2030年间即将发射的40余个空间望远镜项目提供了风险评估基准，特别警示了Xuntian等新一代望远镜可能面临的灾难性污染。建议立即建立"太空光污染指数"监测系统，并在2026年国际天文学联合会大会上推动《深空观测环境保护公约》的立法进程。