在轨卫星过万，威胁天文观测，科学家如何应对？

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在轨卫星过万，威胁天文观测，科学家如何应对？

原创 Nature Portfolio 自然系列

2025年12月25日 22:40

本篇《自然》长文共5545字，干货满满，预计阅读时间17分钟，时间不够建议可以先“浮窗”或者收藏哦。

原文作者：Helen Pearson

SpaceX等公司计划发射数万颗卫星，这会扰乱天文观测、污染大气层。

这张照片拍摄于西澳大利亚南邦国家公园的尖峰石阵，天空布满卫星光痕。图片来源：Joshua Rozells

近期，位于智利一处山巅的薇拉·鲁宾天文台将启用它巨大的天文相机开展巡天观测。它将每隔三个夜晚绘制一幅全南天星图，包含恒星、星系、小行星和超新星——以及划破部分视野的成群刺眼卫星。

天文学家在二十多年前规划鲁宾天文台时，没有多想卫星会“抢镜”的问题。但随着地周空间日益拥挤，研究人员们不得不去找寻全新的方案予以应对，不然就将损失鲁宾和其他数百个天文台的珍贵数据。

过去五年，在轨工作卫星数量已猛增至约11000颗，其中大多是提供全球互联网服务的卫星星座（见“卫星激增”）。仅加州霍桑的SpaceX一家公司，自2019年以来就发射了超过7000颗在轨运行的星链卫星；伦敦的一家空间通讯公司，OneWeb，也已在其卫星星座中部署了超过630颗卫星。尽管未必会全部发射，但各大公司和各国计划发射的卫星总量已达数万乃至数十万颗[1]。

来源：Jonathan’s Space Pages

卫星是维系通讯的重要一环，尤其是能为偏远地区和应急通讯提供网络连接。但卫星数量的激增也对科学家们造成了困扰：卫星们在干扰着地面天文观测，不仅会在望远镜图像上划出亮痕，还会对射电望远镜产生电磁干扰。卫星的剧增还带来了包括增加大气污染在内的其他威胁。

首批星链卫星升空时，就有天文学家警告过天文学的存亡危机。如今，天文学和其他领域的研究者们正与卫星公司合作，协力量化并减轻卫星们对科学（以及社会）的影响。“合作寻找解决方案的意愿日渐增加。”意大利圣安娜高等研究院空间政策专家Giuliana Rotola表示。

精准避让

降低干扰的第一步是确定卫星过境天文台的时间和位置。伦敦帝国学院天文学家Mike Peel说：“目标是尽可能减少意外。”

星链发射前，天文学界并无统一的卫星追踪系统。而今，国际天文学联合会（International Astronomical Union，IAU）建立了数字化信息平台“保护暗静天空免受卫星星座干扰中心（Centre for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference，CPS）”。包括Peel和Rotola在内的研究者们志愿为其服务。

中心研发的一大工具是SatChecker，通过调用一个卫星轨道公共数据库（数据来源于天文观测者及公司追踪空间物体）开展工作。天文学家可借助该工具确认其观测时段中的过境卫星。不过这一工具仍不完美：大气阻力影响及卫星主动变轨都会影响卫星的定位，且公共数据库的更新存在滞后性。例如德州米德兰市的AST SpaceMobile通信公司于2022年发射的BlueWalker 3卫星，其亮度时常超过大多数恒星，但由于其轨道存在极大不确定性，天文学家在夜间观测时很难预判其是否会闯入望远镜视场[2]。

智利托洛洛山美洲际天文台的4米口径望远镜于2019年拍摄到的星链卫星轨迹。图片来源：CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/DECam DELVE Survey

诸如SatChecker这样的工具，让望远镜的使用者们可以在卫星经过头顶时转向天空的其他区域，或者是在卫星飞过时暂停观测，从而协助他们避开问题。如果 SatChecker 能够提供更精确的卫星位置信息，天文学家将大为获益，但提升这个系统受到了一些限制。SatChecker 的数据来自美国太空部队，利用一个全球传感器网络追踪在轨对象，每天数次发布卫星位置更新。这一更新的频率受多重因素制约，如探测器观测某一天体的频率，以及探测器能否分辨其所观测的对象。

目前，对望远镜的使用者们来说，卫星轨迹尚属次要问题。但随着卫星数量继续猛增，问题会越来越大，这意味着损失更多的观测时间，而这个问题对鲁宾天文台会更严峻。

清理光痕

耗资8.1亿美元建造的鲁宾天文台情况特别。它会高频扫描大片天区——这意味着它能捕捉快速变化的天文现象，如来袭的小行星或宇宙爆炸。天文学家不想被过境卫星捉弄，2017年就发生过：当时研究人员发现了一个疑似来自遥远星系的γ射线暴——一串高能闪光——结果却发现只是由一块太空垃圾反射的太阳光。

鲁宾天文台的强大相机配合其8.4米口径的望远镜，每晚将拍摄约1000张夜空照片，每张覆盖约45个满月面积的天空。这比过去任何光学天文台所拍摄的单张天空图像都更为广域。模拟显示，如果在鲁宾十年巡天期间，近地轨道卫星数量增加到约4万颗——这一预测并非不可能——那么其至少10%的图像，以及在黄昏时段的大部分拍摄，难免会包含卫星轨迹[3]。

SpaceX已采取初步措施试图缓解这个问题。他们与鲁宾天文台的天文学家合作，测试变更星链卫星的设计和轨道位置，努力将其亮度控制在目标阈值之下。总部位于华盛顿州西雅图的零售与科技巨头亚马逊，也正在测试原型卫星，为其筹划的柯伊伯卫星星座寻找缓解干扰的方案。这些改变能减轻问题，但并不治本。

为避免卫星干扰，鲁宾的天文学家们正在制定观测计划，以便研究人员避开某些天区（如靠近地平线的区域）和特定时段（如黄昏前后）[4]。对避不开的情况，鲁宾研究人员已在数据处理流程中加入了检测和消除卫星光痕的步骤。天文学家表示，所有这些变化都意味着科研时间的减少和数据处理时间的增加，但这些工作势在必行。“我们非常期待鲁宾的数据，来看看它效果如何。”Peel说。

对于其他天文台，IAU CPS正在开发工具，帮助天文学家识别和校正数据中的卫星光痕。其中一个基于众包卫星亮度观测数据的新数据库SCORE，目前正处于测试阶段，计划在未来几个月中更大范围地开放使用。Peel表示，这将帮助科学家回溯他们的研究——他们可能在过去的观测中发现过一些难解的现象，如今或许能搞明白。

荷兰代尔夫特理工大学的空间追踪专家Marco Langbroek表示，这个数据库“无疑非常有价值”，因为它是少数几个提供免费数据的数据库之一。作为测试人员，Langbroek已向SCORE添加了大量数据记录，包括 NASA 太阳帆在太空中翻转运行时亮度变化的测量数据。他表示，如果能有更多天文学家向SCORE数据库提供高质量的观测数据，它将逐渐成为一个重要资源库，发挥宝贵作用。

再做应对

使用电磁波谱无线电波段的天文学家，在面对卫星时还有着额外的挑战。

大型射电望远镜通常位于偏远地区，以尽可能远离手机信号塔和其他会泄漏无线电信号的科技基础设施，但却无法避开卫星。“从天上来的信号会一直在那儿。”英国卓瑞尔河岸平方千米阵天文台的天文学家、IAU CPS的联合主任Federico Di Vruno说。

在卫星发射信号时，电磁干扰可能会淹没来自宇宙的微弱射电信号。一个解决方案是改变卫星方向或暂时关闭卫星传输。美国国家射电天文台和SpaceX一直在研究实现这一目标的方法，现在SpaceX在星链卫星经过西弗吉尼亚州的绿岸望远镜等敏感望远镜上空时，会短暂改变方向或关闭传输[5]。这一方案需要所有合作者自愿参与，还需要公司和天文学家们进行大量数据共享和高强度编程处理——但它确实减少了干扰。鉴于这一方法已经取得足够成效，一个射电天文学家小组近期前往中国，与中国的卫星运营商和科学家讨论这一策略。

这张由多重曝光合成的图片中，显示了威尔士某地上空星链卫星、国际空间站和其他卫星划过的轨迹。图片来源：Max Alexander

然而，每当一个问题得到解决，新的挑战就会接踵而至。首先是“直连手机”卫星的兴起，这类卫星如同太空中的手机信号塔，能为地面上无其他网络覆盖的区域提供通信服务。光学天文学家忧心于这些卫星，是因其体积庞大且异常明亮[6]；它们对射电天文学家来说更是棘手，因为这种直连手机的信号传输非常强大。一旦其中某个信号击中射电天文台，“望远镜就可能会暂时‘失明’。”Di Vruno说。为此，天文学家正与卫星运营商商讨建立信息共享机制，以便在卫星飞越天文台时互相避让。

另一个新出现的挑战是“非故意”辐射——即卫星在远离其常规传输等工作频段的波长上发生的电磁泄漏。正在澳大利亚和南非建设的平方千米阵射电望远镜在早期测试中，就发现了来自星链等卫星的此类泄漏[7]。

这些非故意辐射多集中在低频段，而这正是研究早期宇宙等课题所使用的频段。目前天文学家除了规划时间，让望远镜在卫星经过其观察空域时停止记录数据外，尚无更好的解决方案。对此，国际电信联盟等机构未来可能会像管理其他电磁频谱使用一样制定监管规定。

清理大气污染

科研工作者中，并非只有天文学家关注卫星星座的影响。近年来，越来越多的大气学家发出警告：这些卫星在发射和轨道衰减坠入大气层烧毁的过程中，都会对地球高层大气造成污染。伦敦大学学院（UCL）大气化学家Connor Barker说，研究人员才刚刚开始了解这种污染的影响范围。

卫星星座需要大量在轨卫星维持运作，而技术更新换代将加快卫星发射和再入的频率。仅今年二月，平均每天就有四颗星链卫星再入大气层烧毁。

每次再入都会向高层大气释放化学物质。2023年一项研究显示，高空飞机探测到大气层中有20多种可能来自卫星再入的化学元素，包括铝、铜和铅[8]。另有研究发现，卫星星座贡献了2022年航天业中各类碳排放的约40%，包括可能加剧大气变暖的黑碳颗粒和二氧化碳[9]。目前尚不清楚这将在多大程度上加剧全球变暖和其他环境问题，但初步分析表明卫星发射会对臭氧层造成虽小但可见的破坏。

目前尚无针对卫星大气污染的相关法规。Barker和UCL的同事认为，解决问题的第一步是对污染范围进行更准确的评估。他们已在建立火箭发射和卫星再入的排放清单，详细统计相关污染物及其进入大气的具体高度。“尽管目前这个行业规模相对较小，对大气的影响也相对有限，但我们仍需意识到问题。”伦敦大学学院大气化学家Eloise Marais表示。

研究人员正在努力提升人们对此类问题以及其他与卫星群相关问题的关注。今年二月，联合国和平利用外层空间委员会在维也纳召开会议，首次正式讨论了卫星星座对天文学的影响。

不出意料的是，这些初步讨论并未形成重大决议。但Di Vruno表示：“现在所有成员国都意识到了暗夜和静默天空的重要性。”在他看来，这本身就是一项成功。

参考文献：

1. Falle, A., Wright, E., Boley, A. & Byers, M. Science 382, 150–152 (2023).

2. Nandakumar, S. et al. Nature 623, 938–941 (2023).

3. Hu, J. A., Rawls, M. L., Yoachim, P. & Ivezić, Ž. Astrophys. J. Lett. 941, L15 (2022).

4. Fankhauser, F., Tyson, J. A. & Askari, J. Astron. J. 166, 59 (2023).

5. Nhan, B. D. et al. Preprint at arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.15068 (2025).

6. Mallama, A., Cole, R. E., Respler, J. & Harrington, S. Preprint at arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.03651 (2025).

7. Grigg, D. et al. Astron. Astrophys. 678, L6 (2023).

8. Murphy, D. M. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 120, e2313374120 (2023).

9. Barker, C. R., Marais, E. A. & McDowell, J. C. Sci. Data 11, 1079 (2024).

原文以Swarms of satellites are harming astronomy. Here’s how researchers are fighting back标题发表在2025年3月18日《自然》的新闻特写版块上

© nature

Doi：10.1038/d41586-025-00792-y