• Começa Com Um Estrondo

Como os astrônomos podem superar os danos causados ​​pelas megaconstelações de satélites?

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. (CLARA MARTÍNEZ-VÁZQUEZ / CTIO)

Nas próximas décadas, são esperados mais de 100.000 novos satélites.

Por incontáveis ​​milênios, sempre que nos deparamos com uma noite clara, sem nuvens e sem lua, toda a humanidade foi capaz de testemunhar toda a beleza de um céu escuro e puro. De qualquer local da Terra, milhares de estrelas podiam ser vistas ao mesmo tempo, bem como características intrincadas na Via Láctea, um punhado de outras galáxias e até mesmo várias nebulosas, aglomerados de estrelas e outros objetos do céu profundo. Com o advento do telescópio – e mais tarde, técnicas e equipamentos fotográficos – esses números explodiram. Nossas visões do Universo distante eram limitadas apenas por nossa tecnologia e pelos investimentos que fizemos nelas.

Mas dois desenvolvimentos vieram para mudar isso. A primeira foi a iluminação elétrica, que fez com que cidades, vilas e agora até áreas rurais frequentemente emitissem mais luz do solo do que tudo no céu combinado. Tal como está hoje, apenas uma pequena porcentagem da população da Terra pode ver mais do que algumas centenas de estrelas a olho nu ao longo da noite. Mas o segundo desenvolvimento – satélites artificiais – é extremamente recente, afetando apenas o céu noturno desde o início da era espacial. No início de 2019, havia aproximadamente 2.000 satélites ativos; até o final da década, esse número deverá aumentar para mais de 100.000. Isso não apenas mudará para sempre a ciência da astronomia, mas a relação da humanidade com o espaço. Nas últimas semanas, tanto a American Astronomical Society quanto a European Astronomical Society realizaram suas reuniões de verão, onde muitos cientistas e especialistas da indústria compartilharam as últimas notícias e desafios na interseção de satélites e astronomia. Aqui está o que todos deveriam saber.

Milhares de objetos feitos pelo homem – onde quase metade dos ativos foram lançados desde 2019 – 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. Os satélites geossíncronos estão 50 a 100 vezes mais distantes do que os satélites em órbita mais baixos mostrados aqui. (ESCRITÓRIO DO PROGRAMA ORBITAL DEBRIS DE CORTESIA DE ILUSTRAÇÃO DA NASA)

O espaço é um lugar grande, mas a órbita baixa da Terra não é . Assim que nos aventuramos além da atmosfera da Terra, descobrimos que não estamos mais confinados ao pequeno volume ligeiramente acima da superfície da Terra, mas podemos ocupar qualquer local no espaço tridimensional que desejarmos.

Acima de algumas centenas de quilômetros, os satélites em órbita podem permanecer estáveis ​​por meses, anos, décadas ou mais, dependendo de como são equipados. Quanto mais longe você for, mais da Terra poderá cobrir de uma só vez, mas estar mais perto tem suas vantagens. Quanto mais perto você estiver:

• quanto mais rápido você se move,
• você pode transmitir e receber mais dados,
• e quanto menor a latência (ou seja, menor o atraso) entre quando você envia o sinal e recebe uma resposta.

As desvantagens, no entanto, são que a órbita baixa da Terra já está cheia de satélites ativos e inativos, assim como a maioria de nossos detritos espaciais. Quanto mais próximo você estiver da Terra, mais satélites serão necessários para obter cobertura global. E, em particular, quanto mais satélites você colocar no estreito volume de espaço entre ~300 km e ~600 km acima da superfície da Terra - a mais baixa das órbitas terrestres baixas - maior o risco de colisões entre satélites e maior o potencial para uma única colisão para criar uma reação em cadeia de colisões entre eles.

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, viseiras e alturas orbitais ocorram 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 dar conta do Starlink. (LSST PROJECT/NSF/AURA)

Astronomia antes de 2019 . Embora a poluição luminosa e os satélites tenham afetado a astronomia, há muito tempo tivemos mitigações moderadamente bem-sucedidas para lidar com eles. Nossos telescópios terrestres de ponta foram construídos principalmente - pelo menos no último meio século - em locais com céu escuro protegido e com o apoio das comunidades locais. Os telescópios espaciais são amplamente imunes aos efeitos da poluição luminosa terrestre, enquanto o satélite ocasional, fraco ou brilhante, afetaria apenas temporariamente menos de 1% das imagens obtidas, mesmo com telescópios grandes de campo amplo.

Parte de como os astrônomos mitigariam os efeitos dos satélites era por meio de programas de rastreamento. Por causa de quão bem a humanidade entende as leis da gravidade e os efeitos da exosfera da Terra no decaimento de satélites – bem como quão minuciosa e precisamente estamos rastreando os objetos lá em cima – os astrônomos poderiam planejar suas observações, ao longo de cada noite, para minimizar a interferência de satélites com a coleta de dados científicos valiosos. Com apenas alguns milhares de satélites, incluindo os inativos e os grandes pedaços de detritos espaciais, a combinação dessas várias intervenções permitiu aos astrônomos minimizar suas perdas.

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. (SPACEX / STARLINK)

Megaconstelações de satélites . A partir de 2019, no entanto, as coisas começaram a mudar drasticamente. Os primeiros lançamentos dos novos satélites Starlink da SpaceX – o primeiro de uma série de megaconstelações de satélites projetadas para fornecer cobertura moderna de internet global – vieram como um choque imediato para a astronomia e as comunidades civis. Os novos satélites foram:

• brilhante, mais brilhante do que todas, exceto algumas dezenas de estrelas durante a fase inicial de implantação e ainda visível a olho nu quando em suas órbitas finais,
• numerosos, com cerca de 60 satélites implantados em cada lançamento e um total de 1656 atualmente orbitando a Terra,
• e em trilhas, de modo que, quando você vir um, provavelmente verá uma série de muitos seguindo uma trajetória semelhante nos próximos minutos.

A SpaceX sozinha está planejando um total de 42.000 satélites em órbita baixa da Terra e, embora já tenham promulgado uma série de mitigações, seus satélites atuais ainda estão mal ou logo abaixo do limiar de visibilidade a olho nu sob céu escuro. Quando outros provedores planejados - incluindo OneWeb, Kuiper/Amazon, bem como projetos da China, Japão e outros países - são levados em consideração, a expectativa, de acordo com a Dra. Connie Walker do NOIRLab da National Science Foundation, mais de 100.000 -Os satélites em órbita terrestre parecem prováveis ​​para o nosso futuro a curto prazo.

O número de satélites visíveis durante a noite astronômica de uma constelação simulada de 10.000 satélites a 500 km de altitude (laranja) e 1.000 km de altitude (azul). Observe como a sombra da Terra reduz o impacto dos satélites de baixa altitude a zero por algumas horas durante a noite, mesmo durante o verão, enquanto a constelação de maior altitude nunca atinge essa marca. (PAT SEITZER, APRESENTADO EM AAS237)

Seus impactos na astronomia . Embora o objetivo de fornecer internet de alta velocidade e baixo custo para comunidades rurais e carentes seja admirável, as perdas são sentidas por todos os observadores do céu noturno. Observadores de estrelas casuais, mesmo ao longo de uma hora, provavelmente testemunharão vários rastros de satélites mesmo no momento; em 2030, você não poderá olhar para qualquer lugar a qualquer momento sem ver satélites em seu campo de visão evitado. Astrônomos amadores e astrofotógrafos não são mais capazes de obter imagens de qualquer região do espaço ao longo da noite sem a interferência de muitos satélites diferentes.

Mas, de longe, o maior dano é causado pela astronomia profissional. Cada satélite que passa dentro do campo de visão de um telescópio moderno irá:

• saturar o detector,
• deixar um rastro sobre ele,
• e seus efeitos remanescentes afetarão o hardware por alguns minutos depois.

A perda para a ciência ainda não pode ser medida, mas as estimativas realistas são dramáticas. O próximo observatório Vera C. Rubin - o maior, mais rápido e mais amplo levantamento de todo o céu já projetado - terá trilhas de satélite em cerca de 30 a 40% de suas imagens. As mesmas coisas que ele é otimizado para medir são as que serão mais impactadas por essas trilhas de satélite: objetos que variam ao longo do tempo, objetos que mudam de posição ao longo do tempo, objetos transitórios que ficam mais claros e/ou esmaecem com o tempo. A identificação e o rastreamento de asteroides potencialmente perigosos podem não ser mais possíveis, e é quase certo que perderemos algumas descobertas científicas que nem sabemos que existem para serem encontradas.

O aglomerado globular Messier 4 não tem apenas estrelas dentro, mas um grande número de anãs brancas: remanescentes estelares, circulados em branco à direita na imagem inserida do Hubble. As anãs brancas foram vistas a variar em escalas de tempo tão pequenas quanto ~ 5 minutos. Essas variações rápidas podem ser perdidas, assim como os dados relativos a asteroides potencialmente perigosos e outros transitórios rápidos, sem avanços rápidos na mitigação de satélites. (HARVEY RICHER (UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA, VANCOUVER, CANADÁ), M. BOLTE (UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA CRUZ) E NASA/ESA)

Existem quatro maneiras pelas quais a humanidade pode trabalhar em conjunto para mitigar esse problema, mas tudo depende de nossa vontade de fazê-lo. Neste momento, existem quatro frentes diferentes onde os astrônomos estão procurando soluções.

Mitigação dos reguladores . Contanto que você obedeça ao Tratado do Espaço Exterior e não prejudique o funcionamento dos satélites de outras pessoas com o seu, não há regulamentos internacionais significativos que governem os usos do espaço. Isso significa que, desde que você obtenha a aprovação de seu país de origem, você pode lançar quantos satélites com tanta interferência óptica, de rádio ou outra interferência eletromagnética desejar. Além disso, como não há limites atuais para o número de satélites em uma órbita específica, a superpopulação de satélites pode levar a um efeito Kessler, onde uma colisão de satélite leva a uma reação em cadeia de colisões adicionais, ou Síndrome de Kessler . Prevê-se que aproximadamente ~ 100.000 satélites a uma altitude de ~ 500 km levem ao último, o que tornaria a órbita baixa da Terra inutilizável por gerações.

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. (MORIBA JAH / REUNIÃO EUROPEAN ASTRONOMICAL SOCIETY SUMMER 2021)

Como está hoje, os satélites passam rotineiramente a 1 ou 2 quilômetros um do outro, com várias passagens próximas a cada minuto. À medida que o tráfego espacial fica cada vez mais congestionado, esse problema só vai piorar.

Embora tenham sido feitos pedidos de liminares e/ou um moritório sobre futuros lançamentos e implantações por empresas como a Viasat e Rede parabólica , bem como uma contestação legal à isenção geral da FCC de empresas espaciais da Lei Nacional de Política Ambiental por Graduado em Direito Vanderbilt Ramon Ryan , qualquer conjunto de regulamentos internacionais provavelmente levará muitos anos para ser implementado. Como disseram vários astrônomos na reunião da Sociedade Astronômica Europeia do mês passado, todos os olhos da Europa estão nos Estados Unidos, esperando que possamos abrir caminho para um modelo para governar o uso responsável e sustentável do espaço.

Os satélites Starlink da SpaceX agora vêm equipados com visores e realizam rolos de orientação durante sua fase de órbita, o que ajuda a reduzir seu brilho durante várias fases de sua vida útil. No entanto, mesmo com essas mitigações, todos os satélites Starlink atuais ainda ficam aquém das modestas recomendações dos astrônomos. (PATRICIA COOPER, APRESENTADA NA AAS237)

Mitigações de provedores de satélite . Neste ponto, todas as mitigações feitas por qualquer empresa de satélites são totalmente voluntárias. A SpaceX foi a primeira, e eles estão muito dispostos a conversar com os astrônomos. Eles experimentaram escurecer seus satélites, colocando viseiras sobre eles para reduzir a refletividade, e aceitaram os pedidos para manter seus satélites abaixo de 600 km de altitude, o que fornecerá aos astrônomos longas janelas todas as noites, onde as observações não devem ser afetadas por seus satélites. A OneWeb, com exceção da consideração da altitude (suas órbitas estão a ~1500 km de altitude e, como tal, seus satélites interferirão nas observações a noite toda), ficou igualmente feliz em se reunir com astrônomos e receber recomendações. Vale a pena notar, como Maurizio Vanotti da OneWeb e o astrônomo britânico Andy Lawrence apontaram, que colocar os satélites OneWeb em órbitas de ~ 1500 km em vez de órbitas de ~ 600 km permite cobertura total sobre sua área de interesse com centenas, em vez de milhares, de satélites. (Para comparação, o rede GPS de maior latência , em altitudes de ~20.000 km, requer apenas 24 satélites para cobertura global completa.)

Os satélites GPS voam em órbita terrestre média (MEO) a uma altitude de aproximadamente 20.200 km (12.550 milhas). Cada satélite circula a Terra duas vezes por dia. Essa configuração garante que pelo menos 4 satélites estejam sempre dentro do alcance de qualquer ponto da Terra, continuamente. (ESCRITÓRIO NACIONAL DE COORDENAÇÃO PARA POSICIONAMENTO BASEADO NO ESPAÇO, NAVEGAÇÃO E CRONOGRAMA)

No entanto, há muito trabalho a ser feito. Em particular:

• as empresas que estão lançando esses satélites não ofereceram financiamento aos astrônomos para esforços de mitigação de satélites,
• eles não desenvolveram um sistema superior para fornecer e padronizar dados orbitais e posicionais para esses satélites,
• e os dados atualmente disponíveis precisam ter aproximadamente 10 vezes sua precisão atual para serem úteis aos astrônomos.

Apesar das recomendações do oficina SATCON1 que o número de satélites seja reduzido ao mínimo, que todos eles sejam mantidos em órbitas abaixo de 600 quilômetros, e que sejam escurecidos significativamente abaixo de seus brilhos atuais, ainda parecemos estar olhando para o crescimento de megaconstelações de satélites para mais de 100.000 satélites no total. na próxima década, nenhum dos quais demonstrou atender às recomendações de brilho e muitos dos quais planejam voar em órbitas de ~ 1000 km ou mais.

Enquanto observava alvos no cinturão de Kuiper em 2 de novembro de 2020, um satélite Starlink passou pelo campo de visão do Hubble. O Starlink 1619 passou a 80 quilômetros do Hubble nesta data, criando uma faixa com 189 pixels de largura nesta imagem. Dado que a frota principal da Starlink cruza apenas 12 km acima da altitude operacional do Hubble, muitas outras dessas photobombs são esperadas. Jogar fora ou calcular a média desses quadros poluídos nos custará dados científicos valiosos, mas soluções de software suficientes exigirão desenvolvimentos adicionais. (NASA/HUBBLE/SIMON PORTER)

Mitigações de software . Idealmente, você poderia imaginar um cenário em que essas trilhas de satélite pudessem ser tratadas por meio de um pacote de software inteligente o suficiente: um capaz de remover digitalmente as faixas de satélite, deixando as partes restantes das imagens intactas, minimizando as perdas científicas. Toda vez que tentamos remover uma faixa, no entanto, por meio da média de tempo dos dados ou da remoção da parte com faixas das imagens, perdemos informações científicas valiosas. Essas técnicas, quando aplicadas ao campo científico da astronomia no domínio do tempo – que é necessária para a detecção de transientes, variações rápidas e objetos em movimento rápido – é como a quimioterapia: pode matar a aflição, mas o tratamento danifica severamente o próprio corpo. coisa que está tentando salvar. De acordo com Dr. Moriba Jah ,

A remoção de sinal é algo que devemos parar de fazer. Não vai melhorar. Em vez disso, devemos ser bons em detectar comportamentos diferentes em qualquer cubo de dados e negligenciar aqueles com os quais não nos importamos. Estrelas, raios cósmicos e objetos antropogênicos se comportam de maneiras particulares, portanto, se pudermos categorizar os dados estatisticamente, em vez de remover sinais, poderemos extrair os sinais nos quais estamos interessados.

Esta não é uma tarefa fácil de forma alguma, e todos os esforços observacionais direcionados à mitigação de satélites tiram tempo e dinheiro da ciência. Sem uma fonte de financiamento para esse necessário trabalho de mitigação, o esforço científico sofre como um todo.

O sistema StealthTransit: o primeiro sistema de cofragem ativo para mitigação de satélites e uma solução de hardware proposta para um difícil problema tecnológico. Os elementos rotulados correspondem a: o obturador StealthTransit (1), o conector Space Situational Awareness (2), o detector Bright Satellite (3) e o software preditor SteathTransit (4). (STEALTHTRANSIT / VLAD PASHKOVSKY)

Mitigações de hardware . Uma alternativa superior para muitas aplicações - de astrofotografia a telescópios terrestres de campo estreito e até mesmo telescópios espaciais - seria a capacidade de fechar ativamente seu telescópio quando um satélite passa pelo seu campo de visão. Simplesmente por:

• saber exatamente quando um satélite entrará e sairá do campo de visão do seu telescópio,
• fechando rapidamente o obturador antes da entrada,
• reabrindo rapidamente o obturador após a saída,
• e coletando dados, continuamente, durante todos os momentos em que o obturador estiver aberto,

os efeitos de sequência e os problemas de saturação de hardware poderiam ser eliminados inteiramente, enquanto reduziam as escalas de tempo sobre as quais os dados cientificamente utilizáveis ​​são afetados de minutos para segundos.

Embora muitos vejam isso como uma solução tecnológica que provavelmente estará longe no futuro, uma empresa – StealthTransit , liderado por Vlad Pashkovsky – surgiu com uma implementação dessa ideia que não depende de um conhecimento prévio das posições e movimentos dos satélites. Em vez disso, o que seu sistema faz é escanear uma área maior do céu do que as imagens do telescópio em busca de satélites e identifica quando um está prestes a entrar no campo de visão principal do telescópio. Ao fechar e desobstruir o telescópio de forma ativa e responsiva, os efeitos dos rastros de satélite podem ser eliminados completamente, minimizando a perda líquida de dados.

De muitas maneiras, o espaço sideral ainda é o oeste selvagem e selvagem em sua ilegalidade. As empresas, desde que tenham a aprovação dos reguladores (às vezes extremamente negligentes) em seu país de origem, podem lançar quantos satélites forem aprovados com quaisquer parâmetros orbitais para os quais obtenham aprovação, sem restrições em seus brilhos ópticos. Os astrônomos, atualmente, só pode fazer recomendações a provedores de satélite , enquanto nenhuma organização tem o poder de fazer cumprir essas recomendações. Enquanto isso, nenhum fundo adicional está sendo fornecido para ajudar nos esforços de mitigação e nenhuma regulamentação internacional está em processo de implementação.

Apesar do sentimento generalizado de que o céu noturno é um recurso natural que não pertence a nenhuma pessoa, corporação ou nação, as ações de algumas empresas e indivíduos estão mudando drasticamente os céus no futuro próximo para todos os mais de 7 bilhões de nós aqui na Terra. . Como Ian Ayres e John Braithwaite escreveram em Regulamento responsivo em 1992,

Vimos que as corporações podem ser mais capazes do que o governo de regular suas atividades empresariais. Mas se eles são mais capazes, eles não estão necessariamente mais dispostos a regular efetivamente. Esta é a fraqueza fundamental da auto-regulação voluntária. Um programa voluntário interromperá muitas violações que custam dinheiro à empresa e outras que são neutras em termos de custo; ele vai até mesmo deter algumas violações que beneficiam financeiramente a empresa no curto prazo, em prol do benefício de longo prazo... Recomendações que envolvem consequências além do custo neutro ou de curto prazo, no entanto, geralmente serão ignoradas.

A menos que consideremos essas questões de forma responsável, sustentável e – mais importante – rapidamente, poderíamos estar lidando com as consequências desses megaconstelações de satélites rapidamente implantadas por gerações, e talvez até séculos, por vir.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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