• Começa Com Um Estrondo

Os astrônomos correm para salvar o céu noturno, mas alguém vai ouvir?

Existem mais de 40.000 pedaços de detritos espaciais rastreados e, embora muitos ocupem a órbita baixa da Terra, há um grande número de objetos cujas órbitas se estendem por muitos milhares de milhas/quilômetros da Terra. (Crédito: NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld)

• A era das megaconstelações de satélites está apenas começando, com mais de 1.000 lançadas desde 2019 e dezenas de milhares mais a caminho.
• As megaconstelações afetarão negativamente a astronomia profissional, a segurança da Terra, nosso ambiente terrestre e o céu noturno.
• Embora tenhamos tomado algumas medidas marginais para mitigar esses riscos, é necessária ajuda e regulamentação significativas, ou o céu como o conhecemos pode ser perdido para sempre.

Desde os primórdios da humanidade, as maravilhas de um céu noturno claro e escuro têm sido nosso companheiro constante. Sempre que uma noite sem nuvens e sem lua nos cumprimentava, nossa recompensa era o vislumbre de milhares de estrelas, a Via Láctea e os planetas a olho nu – além de quaisquer meteoros, cometas e objetos do céu profundo que estivessem visíveis no momento. O céu noturno fazia parte de todas as nossas vidas – humanos e animais – com nossas visões limitadas apenas pelas restrições da visão humana.

Ao longo dos últimos séculos, construímos e desenvolvemos ferramentas para nos ajudar a observar melhor o universo. Telescópios, câmeras, CCDs e outras tecnologias abriram o caminho para entendermos nosso lugar no cosmos. Mas o advento da iluminação elétrica começou a trabalhar contra nós. Hoje, a maioria dos humanos só consegue ver as estrelas mais brilhantes, já que a iluminação tradicional e LED tiraram essas vistas imaculadas da maioria de nós.

Embora os esforços de educação e mitigação tenham sido feitos para impedir a propagação da poluição luminosa, um novo problema de repente assumiu o centro do palco: o advento de satélites baratos e onipresentes em órbita baixa da Terra. A partir de 2019, um enorme número de enxames de satélites brilhantes e voando baixo – conhecidos como megaconstelações – começou a subir. Hoje, esses membros da megaconstelação compreendem aproximadamente metade de todos os satélites ativos, e as estimativas sugerem que pode haver mais de 100.000 orbitando a Terra até o final da década. Para estudar e mitigar os danos à astronomia e além, cientistas e representantes da indústria se reuniram em julho para SATCON2 , com os astrônomos acabando de lançar seus relatórios oficiais daquela oficina. Aqui está o que todos precisam saber.

Uma simulação da rede completa de satélites Starlink quando seus primeiros 12.000 satélites estiverem ativos. Essa rede fornecerá cobertura global quase total, continuamente, com 30.000 adicionais solicitados. Embora fornecer internet de alta velocidade globalmente seja um objetivo nobre, destruir a astronomia terrestre, a astrofotografia e até mesmo a observação de estrelas como hobby deve ser considerado um dano colateral extraordinário. (Crédito: SpaceX/Starlink)

A questão-chave é que um número sem precedentes de satélites massivos, grandes, brilhantes e refletivos está sendo lançado em órbita baixa da Terra, e isso está transformando fundamentalmente o céu noturno. Os impactos serão sentidos mais severamente por todos aqueles que usam o céu noturno como recurso. Isso já está impactando astrônomos e astrofotógrafos profissionais e amadores, é claro, mas também afetará muitos outros grupos de pessoas, incluindo:

• operadores de satélite
• formuladores de políticas
• ambientalistas e geoengenheiros
• observadores de estrelas
• pessoas cuja herança cultural está ligada ao céu noturno

A boa notícia é que, se optarmos por agir rapidamente, podemos minimizar os impactos da próxima geração de satélites. Podemos tomar medidas para preservar o céu noturno e o meio ambiente ao redor da Terra para as próximas gerações. E podemos impedir que nossas ambições de infraestrutura de curto prazo prejudiquem os usos pacíficos e científicos do espaço em que tanto confiamos hoje. Com base em estudos anteriores como SATCON1 e 2020 Relatório Céus Escuros e Silenciosos , os grupos de trabalho SATCON2 apontaram cinco grandes impactos que esta nova geração de satélites terá no mundo e abriu um caminho para mitigar os mais terríveis desses efeitos. Aqui está o que está em jogo.

A estrela brilhante Albireo, um sistema estelar duplo proeminente e colorido que é membro do Triângulo de Verão, foi fotografado em 26 de dezembro de 2019. Durante 10 exposições com duração de 150 segundos cada, um trem de satélites Starlink passou por essa mesma região do céu. Embora esse efeito de estrias tenha implicações significativas para a astronomia profissional e amadora, não é o único impacto, nem mesmo o mais preocupante. ( Crédito : Rafael Schmall)

1.) O brilho individual próprios satélites. A maioria de nós já viu satélites antes. De cima da atmosfera da Terra, no ambiente do espaço, esses objetos enfeitam nossos céus desde o lançamento do Sputnik em 1957. Embora esses satélites tenham tido impactos menores em astrônomos e observadores de estrelas, a visão de um satélite ocasional ou a remoção de uma sequência de satélites de uma série de exposições não era uma catástrofe em nenhum sentido.

Mas assim como a morte por 1.000 cortes de papel é uma coisa real, um grande número desses satélites pode ter um impacto catastrófico. Esses satélites parecerão brilhantes e refletivos, principalmente quando estiverem sob luz solar direta e próximos da Terra; satélites em órbita baixa da Terra perto do crepúsculo e do amanhecer terão o maior impacto negativo. Aproximadamente 1% dos satélites serão visíveis para um morador da superfície a qualquer momento; em pouco tempo, o número de satélites visíveis pode rivalizar com o número de estrelas visíveis.

Isso afetará particularmente os observatórios profissionais, especialmente aqueles com visão de campo amplo. O observatório Vera Rubin espera que 30 a 40% de suas exposições sejam poluídas por esses satélites recém-lançados. Nenhuma dessas recomendações foi universalmente aceita até agora, apesar recomendações de astrônomos aquele:

• apenas o número mínimo de satélites será lançado
• satélites permanecem abaixo de 600 km de altitude,
• eles devem ser mantidos abaixo de +7 magnitude
• provedores de satélite fornecem dados posicionais contínuos e precisos
• financiamento seja alocado para mitigação de software e hardware

Para ser franco, o cumprimento voluntário está se mostrando insuficiente.

Um intervalo de 20 minutos mostrando a aproximação mais próxima de dois satélites em órbita no espaço. Observe que, cerca de uma vez por minuto, dois satélites chegam a aproximadamente 2 quilômetros um do outro, com muitos satélites chegando ainda mais perto do que isso. À medida que o número de satélites aumenta, o risco de colisões de satélites aumenta muito rapidamente. ( Crédito : Moriba Sim / Enterprise Estônia 2021)

2.) O apinhamento orbital é um perigo real . Hoje, há um pouco menos de 4.000 satélites ativos em órbita baixa da Terra, com aproximadamente metade deles sendo lançados desde 2019. Aproximadamente a cada dois minutos, haverá um par de satélites que se aproximam desconfortavelmente um do outro: dentro de ~ 2 quilômetros, a velocidades tipicamente em torno de 10 quilômetros por segundo (22.000 mph). Os perigos do apinhamento orbital são graves e significativos:

• Toda vez que você lança um novo satélite, você precisa levantá-lo para sua órbita final, o que implica passar pelas conchas orbitais de todos os satélites de órbita inferior.
• Os sistemas de prevenção de colisões devem ser automatizados, mas não podem levar em conta os satélites que falham (aproximadamente 1% dos lançados até agora) ou aqueles que ficam off-line por eventos climáticos espaciais inevitáveis .
• Qualquer colisão que ocorra enviará grandes fragmentos de detritos por todo o espaço, tanto para órbitas mais altas quanto para mais baixas, onde podem danificar ou destruir vários outros satélites. Na pior das hipóteses, eles podem desencadear uma reação em cadeia descontrolada conhecida como síndrome de Kessler, tornando a órbita baixa da Terra intransitável por décadas ou mesmo séculos.

Apesar dos riscos conhecidos e quantificados, nenhum progresso substancial foi feito para coordenar internacionalmente a capacidade de carga de várias órbitas. Até que os tratemos como um recurso acessível e regulamentado, é literalmente um caso do cenário de pesadelo de toda criança quando se trata do playground: ser confrontado com uma criança mais velha e maior que afirma, eu estava aqui primeiro.

Em 18 de novembro de 2019, aproximadamente 19 satélites Starlink passaram sobre o Observatório Interamericano Cerro Tololo, interrompendo as observações astronômicas e dificultando a realização da ciência de maneira real e mensurável. Se os planos atuais da SpaceX, OneWeb e outros provedores de satélite se desenrolarem conforme o estabelecido, as consequências para a astronomia serão extraordinárias. ( Crédito : Tim Abott/CTIO)

3.) O problema crescente da poluição luminosa agregada de satélites . De um local intocado na Terra, sem poluição luminosa artificial, você ainda não conseguia ver todas as estrelas que estavam presentes. A razão é dupla: o olho humano só pode ver objetos que se elevam acima de um certo limite de brilho e as estrelas precisam ser um pouco mais brilhantes do que o fundo geral de luz agregado. Isso desempenha um papel importante durante o dia, quando o brilho do sol ilumina o céu, mas também ocorre em noites sem lua, quando a luz cumulativa de todas as estrelas ilumina o céu.

Estrelas individuais são o sinal. O brilho cumulativo do céu é ruído. A menos que o sinal suba suficientemente acima do ruído, você não verá o que está procurando. Embora a poluição luminosa do solo seja o maior contribuinte para esse ruído na maioria dos locais da Terra, a presença de um grande número de satélites assumirá o controle, especialmente em locais escuros e remotos.

A luz refletida de 50% desses satélites atingirá o lado noturno da Terra a qualquer momento, aumentando substancialmente o brilho geral do céu quando um grande número de satélites estiver ativo. Qualquer satélite que não funcione cairá e girará fora de controle, aumentando seu brilho médio e causando picos de queima em sua refletividade. Se não fizermos nada para mitigar isso, a astronomia terrestre pode deixar de ser útil para a observação fraca do céu profundo dentro de uma única geração.

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 e aumentarão o potencial da síndrome de Kessler. (Crédito: NASA / escritório do programa de detritos orbitais)

4.) Falhas de satélite levarão a uma marcha de detritos . Você pensaria que ter uma taxa de sucesso de 99% para satélites seria uma coisa excelente, o que a SpaceX alcançou para sua primeira rodada de ~1700 satélites Starlink. (A maioria de qualquer megaconstelação até agora.) O problema é que essas falhas - mesmo que permaneçam em uma taxa baixa de ~1% - aumentarão com o tempo. Em altitudes de aproximadamente 600 km, ainda pode levar anos ou até décadas para que um satélite com falha desorbite naturalmente. Em altitudes mais altas de ~1000 km ou acima, como os satélites da OneWeb, eles podem permanecer em órbita por milênios.

Satélites com falha representam uma série de perigos. Não há como, no momento, remover esses satélites que falharam da órbita bastante . Um satélite com falha não tem capacidade de evitar colisões ou ter sua orientação controlada. Mas o pior de tudo, se esses satélites são uma parte crítica de nossa infraestrutura, um satélite com falha precisa ser substituído por um novo satélite ativo, sem a capacidade de remover seu antecessor com falha.

Imagine que acabamos com os cerca de 100.000 satélites projetados orbitando a Terra até 2030. Agora imagine que eles tenham uma taxa de falha de 1% e precisem ser substituídos, como atualmente projetado, a cada ~5 anos. Ao longo de um século, isso se traduz em um total de 2 milhões de satélites lançados, com um total de ~ 20.000 falhas de satélite que não conseguimos controlar ou desorbitar. Além de representar riscos de colisão e poluir nossas imagens astronômicas com listras e artefatos, eles refletirão a luz do sol e iluminarão nossos céus noturnos globalmente.

Quanto mais tempo continuarmos a aplicar o modelo que usamos atualmente para eletrônicos de consumo aos satélites - que são descartáveis ​​e substituíveis - mais grave esse problema se tornará.

A chuva de meteoros Leonid de 1997, vista do espaço, mostra pequenos fragmentos de material do espaço, em grande parte partículas rochosas, que atingem e queimam na atmosfera da Terra. De todos os meteoróides que atingem nosso planeta, cerca de 54 toneladas de massa entram em nossa atmosfera diariamente. A maior parte é oxigênio e silício; uma pequena porcentagem são vários metais. ( Crédito : NASA/domínio público)

5.) A longo prazo, os satélites irão poluir a atmosfera da Terra . Esse problema pode parecer contra-intuitivo. Afinal, muitas pessoas podem se perguntar: como um satélite no espaço pode poluir a atmosfera da Terra? Mas a questão não está centrada na poluição associada aos lançamentos de foguetes; que é totalmente separado. Todos os dias, o material do espaço impacta a Terra na forma de meteoróides, na ordem de aproximadamente 54 toneladas por dia. A maior parte desse material é oxigênio e silício: típico das rochas. Uma pequena porcentagem desse material é metálica, como ferro, níquel e alumínio. A cada dia, aproximadamente meia tonelada de alumínio é adicionada à atmosfera da Terra por causas naturais dentro do sistema solar.

Se tivermos ~ 100.000 satélites que precisam ser substituídos a cada 5 anos, no entanto, esses satélites acabarão por sair de órbita e queimar na atmosfera da Terra. Supondo que cada satélite seja semelhante à geração atual de satélites Starlink, isso poderia adicionar aproximadamente 14 toneladas de alumínio à atmosfera todos os dias: cerca de 30 vezes a quantidade natural. O alumínio pode ter vários impactos na Terra, incluindo:

• a semeadura adicional de nuvens
• mudanças na refletividade da Terra e nas propriedades de retenção de calor
• a destruição de moléculas de ozônio estratosférico
• interrupção da circulação atmosférica em uma variedade de altitudes

Semear a atmosfera com alumínio, deliberadamente ou não, funcionará como um experimento de geoengenharia. Se não regularmos ou limitarmos essas adições atmosféricas, alteraremos ainda mais o clima da Terra simplesmente lançando e desorbitando um grande número de satélites.

A reentrada atmosférica de um satélite, como o satélite ATV-1 mostrado aqui, fará com que a maioria ou mesmo a totalidade da composição do satélite seja depositada em várias camadas da atmosfera terrestre. Quanto mais satélites são lançados e quanto mais frequentemente eles são desorbitados, maiores serão os efeitos da poluição atmosférica. ( Crédito ESA/NASA)

Todas essas razões, mais as adicionais que são omitidas aqui (mas são abordadas no SATCON2 resumo executivo ), destacam a importância de tomar o conjunto apropriado de ações agora. Assim como as mudanças climáticas, a poluição do ar e da água, a acidificação dos oceanos e outras questões ambientais, é muito improvável que vejamos uma mudança repentina e dramática. Em vez disso, as consequências vão surgir lentamente sobre nós, e elas não se tornarão aparentes para a maioria das pessoas até que seja tarde demais para fazer algo significativo sobre isso.

O cenário de não fazer nada garante resultados que ninguém quer ver. Provedores de satélite que atendem latitudes equatoriais enviarão um grande número de satélites até ~600 km de altitude e abaixo, enquanto provedores de alta latitude enviarão um número menor de satélites para altitudes mais altas, garantindo que não haja janelas disponíveis onde observatórios de campo amplo possam observar sem os efeitos poluentes dos satélites. Isso afetará negativamente o rastreamento e a identificação de objetos potencialmente perigosos, como asteroides e objetos do cinturão de Kuiper. Isso colocará literalmente o nosso planeta em risco.

As estrelas no céu noturno serão desbotadas por causa do aumento da poluição luminosa. Faixas visíveis periféricas, sob céus escuros, começarão a superar em número as estrelas. A órbita da Terra ficará mais lotada e os riscos de colisões aumentarão. E a poluição de nossa atmosfera se intensificará de novas maneiras. Se esperarmos até que esses problemas levem ao desastre, será tarde demais para fazer algo significativo sobre eles.

A colisão de dois satélites pode criar centenas de milhares de pedaços de detritos, a maioria dos quais são muito pequenos, mas muito rápidos: até ~10 km/s. Se houver satélites suficientes em órbita, esses detritos podem desencadear uma reação em cadeia, tornando o ambiente ao redor da Terra praticamente intransitável. ( Crédito ESA/Escritório de Detritos Espaciais)

É por isso ouvindo as recomendações dos quatro grupos de trabalho SATCON2 é uma questão tão importante e oportuna. Embora não seja uma lista exaustiva, suas recomendações incluem:

1. Estabelecendo o SatHub, que criará um conjunto unificado e padronizado de ferramentas para cientistas, operadores de telescópios, fornecedores de satélites, estudantes e desenvolvedores.
2. Criando um conjunto de ferramentas de software que mascararão trilhas de satélites, simularão conjuntos de dados poluídos e preverão quando alvos astronômicos serão afetados por passagens de satélites.
3. Envolver-se com comunidades fora dos astrônomos profissionais, incluindo astrofotógrafos e astroturistas, astrônomos amadores, comunidades indígenas, planetários e partes interessadas ambientais e ecológicas,
4. Crie políticas, desde leis e tratados internacionais até proteções ambientais que considerem o impacto da indústria de constelação de satélites no planeta Terra e seus ecossistemas.

A linha comum que atravessa todos esses pontos é um senso de urgência. O céu noturno está se transformando rápida e abruptamente e precisamos investir nas iniciativas mencionadas, como o SatHub, que será necessário para continuar a ciência da astronomia terrestre.

Esta imagem de Vênus e das Plêiades também mostra os rastros dos satélites Starlink. Estes satélites, localizados a uma altitude de aproximadamente 550 quilômetros, fazem parte de uma constelação cada vez maior de satélites destinados a fornecer acesso à Internet em todo o mundo. As superfícies reflexivas dos satélites, juntamente com o fato de estarem orbitando ao redor da Terra, significa que observações astronômicas que exigem exposições muito longas capturam rastros dos satélites em suas imagens. ( Crédito : Torsten Hansen / IAU OAE)

Atualmente, todos esses esforços são totalmente sem financiamento. Todas as ações e recomendações empreendidas pela comunidade astronômica foram feitas pro bono , enquanto a indústria de satélites está projetada para crescer em uma empresa de 13 dígitos ao longo do século. Como não é pragmático eliminar esses problemas ordenando que os provedores parem de lançar satélites, todos devemos aprender a viver e trabalhar juntos, minimizando e mitigando ao máximo os danos colaterais. Como os participantes do SATCON2 afirmaram em seu resumo executivo:

Dezenas de milhares de satélites em [órbita baixa da Terra] inevitavelmente criarão impactos negativos para a astronomia terrestre, para amadores, ambientais e culturais, e possivelmente para interesses espaciais em órbitas comparáveis, os quais serão se desenrolam em uma arena mal equipada com políticas para gerenciá-los. A tela para consequências não intencionais e conflitos está solidamente no lugar. ... Estamos no limiar de mudar fundamentalmente um recurso natural que desde nossos primeiros ancestrais tem sido uma fonte de admiração, narrativa, descoberta e compreensão de nós mesmos e de nossas origens. Transformamos isso por nossa conta e risco.

Embora não possamos ignorar os cenários de curto prazo, abruptos e de alta consequência que podem surgir, temos que olhar para a oportunidade à nossa frente. Podemos, finalmente, evitar e prevenir um aumento de longo prazo dos efeitos negativos e cumulativos em nosso mundo, nosso meio ambiente e a mais antiga de todas as atividades científicas: a astronomia. Ao preencher com eficácia e urgência essas lacunas políticas, podemos criar um futuro sustentável de longo prazo, onde todas as partes interessadas terão um futuro brilhante.

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