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Pergunte a Ethan: Como as megaconstelações de satélites estão mudando o céu noturno?

Esta imagem mostra os primeiros 60 satélites Starlink lançados em órbita em 23 de maio de 2019. Eles ainda estão em sua configuração empilhada, pouco antes de serem implantados. Você pode ver claramente que esses satélites são bastante reflexivos e muito grandes; continuar a lançar esses satélites mesmo depois que muitas preocupações e soluções legítimas foram trazidas à atenção da SpaceX levantou muitas questões e questões de interesse entre o público em geral e a comunidade de astronomia. (SPACEX / SPACE.COM)

Não se trata apenas da SpaceX e da Starlink. O que estamos decidindo hoje terá um impacto global nos próximos anos e décadas.

Por incontáveis ​​milênios, os seres humanos contemplaram o abismo do céu noturno, hipnotizados pelas maravilhas naturais dos planetas, estrelas e Universo além do nosso mundo. Começando com o Sputnik em 1957, no entanto, a humanidade começou a lutar com pontos artificiais de luz que atravessavam o céu: os satélites. Com o impulso em direção às megaconstelações envolvendo milhares de novos satélites, muitos expressaram preocupações, desde observadores casuais do céu até astrofotógrafos e astrônomos profissionais. Isso inclui Mark Bailey, que escreve para perguntar o seguinte:

Estou muito preocupado com o fiasco maluco da constelação de satélites de Elon Musk. Eu assisti uma série deles flutuando brilhantemente na outra manhã antes do amanhecer, enquanto eu estava fechando meu telescópio observando a noite. Eles ofuscaram a maioria das estrelas no céu e ainda não começou. ... Sempre confiei nos céus para consolo e inspiração. O pensamento de um homem arruinando NOSSAS constelações - as constelações que nossos ancestrais observaram com admiração por eras - me enoja de uma maneira como nunca antes. O que pode ser feito para impedir essa imitação tola de nossa herança legítima?

Eu simpatizo com essa posição, mas é importante entender como esses satélites realmente afetarão e não afetarão nossa visão dos céus. Aqui é onde estamos hoje.

Em 18 de novembro de 2019, uma constelação de satélites Starlink passou pelo quadro de observação da Dark Energy Camera a bordo do telescópio de 4m no CTIO. Qualquer técnica que usássemos para subtrair essas trilhas prejudicaria nossa capacidade de detectar asteroides potencialmente perigosos ou medir objetos variáveis ​​no Universo. (CLIFF JOHNSON / CTIO / DECAM)

A motivação . Você pode fazer coisas do espaço que não pode fazer da superfície da Terra. Esses incluem:

• você pode transmitir e receber dados muito rapidamente (na velocidade da luz) de e para muitos pontos diferentes na superfície da Terra com muito pouca infraestrutura terrestre,
• você pode completar uma revolução ao redor do planeta muito rapidamente, em ~ 90 minutos a partir das órbitas terrestres sustentáveis ​​mais baixas (em escalas de tempo de ~ anos),
• e com uma rede de várias centenas de satélites, você pode cobrir continuamente toda a massa terrestre da Terra – onde mais de 99% da população humana está localizada – permitindo uma rede global de comunicações baseada no espaço.

Já fazemos isso com satélites há muito tempo, tanto para telecomunicações quanto para GPS. No entanto, estamos fundamentalmente limitados pela física das ondas eletromagnéticas neste esforço.

Milhares de objetos feitos pelo homem – 95% deles lixo espacial – ocupam a órbita baixa e média da Terra. Cada ponto preto nesta imagem mostra um satélite em funcionamento, um satélite inativo ou um pedaço grande o suficiente de detritos. Os satélites 5G atuais e planejados aumentarão muito o número e o impacto que os satélites têm nas observações ópticas, infravermelhas e de rádio tiradas da Terra e tiradas da Terra do espaço, e aumentarão o potencial da síndrome de Kessler. (ESCRITÓRIO DO PROGRAMA ORBITAL DEBRIS DE CORTESIA DE ILUSTRAÇÃO DA NASA)

As limitações . Se tudo o que você queria era uma cobertura contínua do espaço de toda a superfície da Terra, um pequeno número de satélites geossíncronos (orbitando na distância certa para que eles estejam sempre sobre o mesmo ponto na superfície da Terra) faria o trabalho. Esta é uma boa localização para muitos satélites de observação da Terra, bem como muitos satélites que só precisam enviar e receber uma pequena quantidade de dados. No entanto, existem duas limitações fundamentais para satélites geossíncronos.

1. As órbitas geossíncronas exigem uma altitude de ~ 36.000 quilômetros (~ 22.000 milhas), o que requer que a luz leve cerca de um quarto de segundo para completar uma viagem de ida e volta da Terra: cerca de 50 a 100 vezes a latência de um satélite em órbita baixa da Terra .
2. Como todas as ondas eletromagnéticas se espalham em proporção ao quadrado da distância, um satélite geossíncrono, a cerca de 50 a 100 vezes a altitude de um satélite em órbita baixa da Terra, só pode atingir ~0,01% a 0,04% da taxa de transferência de dados como baixa. Satélites em órbita terrestre.

A relação de distância de brilho e como o fluxo de uma fonte de luz cai como um ao quadrado da distância. Um satélite que esteja duas vezes mais distante da Terra do que outro aparecerá apenas um quarto mais brilhante, mas o tempo de viagem da luz será dobrado e a quantidade de dados transmitidos também será reduzida a um quarto. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

O novo aplicativo . Essa é a explicação de por que a próxima explosão de megaconstelações de satélites é quase inevitável. Se você deseja transmitir grandes quantidades de dados de e para a superfície da Terra sem instalar infraestrutura terrestre, você precisa de cobertura contínua de satélites de uma rede de satélites de baixa altitude. Esses satélites precisam de baixas latências e altas taxas de transferência, o que significa que a órbita baixa da Terra é o caminho a percorrer.

No entanto, existem muitos problemas potenciais com a implementação de tal rede, e o mais óbvio é que isso vai interferir no céu noturno como nunca antes. Em vez de ver um satélite ocasional, podemos ter dezenas ou até centenas povoando os céus para todos os observadores na Terra simultaneamente. Mesmo que eles fiquem escuros o suficiente para serem invisíveis a olho nu, pode até haver mais satélites do que estrelas através de um par de binóculos. E então, acima de tudo, há o custo para a astronomia.

O custo . Devido à poluição luminosa, a maioria de nós aqui na Terra não tem acesso imediato aos céus claros e escuros que nossos ancestrais não apenas desfrutavam, mas dependiam para uma variedade de propósitos. No entanto, aqueles de nós que têm acesso a céus escuros podem ver até aproximadamente 6.000 estrelas de uma só vez a olho nu, 100.000 estrelas com um par de binóculos e muitos milhões com um telescópio poderoso.

Para astrônomos profissionais, os alvos potenciais chegam aos bilhões, com muitos dos objetos mais interessantes sendo fracos (baixo brilho), estendidos (seu brilho espalhado por grandes áreas) ou transitórios, onde suas propriedades mudam em escalas de tempo relativamente curtas. A astronomia mede o brilho dos objetos em uma escala de magnitude logarítmica, onde 0 é o brilho da 4ª ou 5ª estrela mais brilhante no céu, e cada +1 que você adiciona a ela é apenas ~ 40% tão brilhante quanto o número anterior.

A Bortle Dark Sky Scale é uma maneira de quantificar quanta poluição luminosa existe ao seu redor e, portanto, o que é visível no céu noturno. Quanto menos poluição luminosa você tiver, tanto natural quanto artificial, mais um fenômeno como a Via Láctea, uma galáxia distante, um cometa transitório ou uma chuva de meteoros será visualmente espetacular. Nos céus mais escuros disponíveis na Terra, os humanos podem ver até magnitude +6 ou até +6,5, mas não mais fraco a olho nu. (DOMÍNIO PÚBLICO / CRIADO PARA SKY & TELESCOPE)

A olho nu e céus escuros e imaculados,

• a olho nu pode chegar a magnitude +6 ou +6,5,
• binóculos podem levá-lo a magnitude +8 ou +9,
• telescópios de médio porte típicos podem levá-lo a magnitude +14,
• enquanto os observatórios profissionais são sensíveis a objetos de magnitude +22 e até maiores.

No momento, a maior operadora de satélite ativa do mundo é a SpaceX, cujo projeto Starlink – projetado para fornecer cobertura global de internet 5G – atualmente consiste em mais de 400 satélites ativos. Cada um deles, desde os que estão em sua órbita final a 550 km de altitude até os que ainda não foram elevados às suas altitudes finais, ainda é visível a olho nu com magnitude +5. Mesmo o protótipo escurecido, o chamado DarkSat , é apenas uma magnitude mais fraca: em torno de +6.

O satélite 'DarkSat' Starlink-1130 é aproximadamente 1 magnitude mais fraco que os outros satélites Starlink. Isso fica aquém dos objetivos dos astrônomos em 2 a 3 magnitudes, mas a SpaceX afirmou que seus objetivos são atingir uma magnitude de +7, não os +8 ou +9 que os astrônomos estavam pedindo em janeiro de 2020. ( MARCO LANGBROEK, HTTPS://SATTRACKCAM.BLOGSPOT.COM/ )

A situação atual . A SpaceX é uma das muitas empresas que buscam lançar megaconstelações de satélites, e seus planos são fazê-lo em três rodadas: a primeira rodada consistindo de 1.584 satélites (a ser concluída dentro de um ano), uma segunda rodada estendendo isso para ~ 12.000 satélites, e eles estão pedindo uma terceira rodada para um total de ~42.000 satélites. Outras empresas concorrentes planejam lançar redes de tamanhos semelhantes, mas a SpaceX, por ser a primeira, deve ser a primeira a contar com isso.

Os satélites são mais brilhantes do que o esperado. A comunidade de astronomia esperava que eles chegassem entre magnitudes +8 e +9 em sua configuração final; na realidade, eles são ~20 vezes mais brilhantes do que isso. Antes de serem elevados para suas órbitas finais, eles são ainda mais perceptíveis, em magnitude +1 ou +2, mais brilhantes do que todas, exceto algumas dezenas de estrelas. Isso cria um problema não apenas para observadores casuais do céu, mas para astrônomos e astrofotógrafos profissionais e amadores em todo o mundo.

Ao preencher a documentação com a União Internacional de Telecomunicações para a operação de mais 30.000 satélites Starlink (além dos 12.000 já aprovados), o céu noturno nunca mais será o mesmo. Se Elon Musk, Starlink, SpaceX e os outros grandes players neste espaço forem sérios sobre serem bons administradores do céu noturno, eles não lançarão satélites adicionais que não tenham seus brilhos suficientemente reduzidos. (STARLINK (SIMULAÇÃO))

Os problemas para os astrônomos . Sempre que um satélite passa pela linha de visão de um telescópio até seu alvo, ocorrem vários problemas.

1. O satélite em movimento rápido passa por todo o quadro, criando uma série de dados inutilizáveis.
2. Quanto mais brilhante o satélite, mais pixels ele satura (ou supersatura) no detector.
3. Os pixels saturados permanecem inúteis até que se equilibrem, o que pode durar minutos.
4. E se você estiver procurando por classes específicas de objetos, como asteroides potencialmente perigosos para a Terra ou fenômenos que mudam rapidamente, esses dados poluídos são inúteis.

Você não pode corrigi-lo com software; é um problema inerente ao hardware. Os caminhos dos satélites são controlados por inteligência artificial, tornando o planejamento avançado (para evitar os satélites) uma impraticabilidade. E você não pode simplesmente calcular a média dos vários quadros, pois isso elimina todos os fenômenos transitórios: exatamente o que observatórios como Pan-STARRS e Vera C. Rubin estão tentando medir.

O LSST no observatório Vera C. Rubin, mostrado aqui em uma foto de 2018, está sendo construído e se aproximando da prontidão para suas primeiras observações. Mesmo que o escurecimento dos satélites ocorra de acordo com os planos declarados da SpaceX, este observatório de classe mundial e primeiro de seu tipo será forçado a alterar suas operações para explicar o Starlink. (LSST PROJECT/NSF/AURA)

Progresso em direção a uma solução . Originalmente, a Starlink planejava lançar conchas de satélites em várias altitudes, incluindo ~ 1200 km acima da superfície da Terra. Isso foi revisado para que todos os satélites estejam a ~ 550 km, o que significa que apenas as primeiras 1 a 2 horas após o pôr do sol e antes do nascer do sol terão satélites ofensivos, pois as horas restantes os verão escurecidos pela sombra da Terra. Além disso, o primeiro teste DarkSat reduziu o brilho dos satélites de altitude final de magnitude +5 para +6, uma pequena vitória.

No entanto, a SpaceX afirmou que seus objetivos são que os Starlinks atinjam um brilho de magnitude +7, que fica abaixo do limite a olho nu, mas ainda é mensuravelmente pior para a astronomia do que o objetivo original de +8 ou +9. Embora outras opções além do escurecimento, como escudos e soluções de refletividade, sejam tentadas (uma enorme melhoria potencial para a astronomia infravermelha), Patricia Cooper, da SpaceX, falando em um webinar em 26 de maio, se recusou a abordar a ideia de limitar o número de satélites Starlink que seria lançado até que esses objetivos de brilho fossem alcançados.

Um foguete SpaceX Falcon 9 decola da Estação da Força Aérea de Cabo Canaveral carregando 60 satélites Starlink em 11 de novembro de 2019 em Cabo Canaveral, Flórida. A constelação Starlink eventualmente consistirá em milhares de satélites projetados para fornecer serviços de internet de alta velocidade em todo o mundo, mas o custo para a ciência da astronomia já é substancial e deve aumentar significativamente nos próximos anos. (PAUL HENNESSY/NURPHOTO VIA GETTY IMAGES)

A realidade desconfortável é que o céu noturno, de fato, em breve será povoado com milhares de novos satélites, a maioria dos quais será mais brilhante do que 99% de todos os satélites que existiam antes de maio de 2019. Se pudermos manter todos eles satélites em órbitas terrestres baixas (abaixo de cerca de 600 km de altitude), então eles podem ser rapidamente desorbitados quando necessário e todos aparecerão completamente escuros quando o Sol estiver cerca de 18 graus abaixo do horizonte: durante a maior parte da noite.

No entanto, mesmo que a Starlink e todos os futuros operadores de satélite atinjam seus objetivos atuais, astrônomos de todos os tipos permanecerão afetados. Alguma boa ciência será perdida e mais tempo de observação será necessário para coletar a mesma quantidade de dados de qualidade. Os astrofotógrafos terão que filtrar e descartar quadros poluídos de suas composições; qualquer um que use mais do que o olho nu logo terá dezenas, senão centenas, de objetos brilhantes em seus céus para enfrentar todas as noites pós-pôr-do-sol e manhãs antes do amanhecer.

Uma das técnicas clássicas da astrofotografia é apontar sua câmera para uma região que inclua um dos pólos celestes e deixar o obturador aberto. Com o advento das megaconstelações, fotos como essas podem sempre incluir várias trilhas de satélite coerentes se tiradas dentro de 90 minutos do pôr do sol ou do nascer do sol. (MIKE LEWINSKI/FLICKR)

Apesar muitos amadores e profissionais estão insatisfeitos , tudo o que foi planejado e implementado foi feito legalmente. A menos e até que mudemos as regras que regem nossa herança compartilhada do céu noturno, as megaconstelações de satélites mudarão drasticamente a forma como a humanidade interage com os céus acima.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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