Космический телескоп оказался под ударом: учёные бьют тревогу из-за орбитального бума

До 560 тысяч спутников повысили риск полос на снимках — NASA

Моделирование показывает, что спутниковые полосы могут испортить до трети изображений космического телескопа "Хаббл", даже несмотря на то что он работает за пределами земной атмосферы. Рост спутниковых группировок делает проблему не локальной, а системной для всей космической астрономии. Учёные предупреждают: без изменений в орбитальной политике и дизайне аппаратов чистое небо станет редкостью. Об этом сообщает команда исследователей под руководством специалиста NASA.

Откуда берётся угроза для космических телескопов

Работой руководил доктор Алехандро С. Борлафф из Исследовательского центра Эймса NASA. Его группа изучает, как отражённый спутниками солнечный свет мешает научным наблюдениям, и разрабатывает инструменты планирования, чтобы сохранить ограниченное время работы телескопов.

Исследователи смоделировали сценарии, при которых к 2030-м годам на орбитах может оказаться до 560 тысяч спутников. Прогнозы основаны на юридических заявках компаний, описывающих будущие орбитальные "оболочки" — плотные слои аппаратов на разных высотах вокруг Земли.

Даже если не все заявленные планы будут реализованы, уже сами объёмы заявок задают верхний предел, к которому вынуждены готовиться астрономические миссии.

Почему появляются спутниковые полосы

Спутниковая полоса — это яркая линия, возникающая во время экспозиции камеры, когда солнечный свет отражается от движущегося аппарата. Даже если полоса проходит мимо основного объекта, рассеянный свет повышает фон и затрудняет измерение слабых сигналов.

Космические телескопы избавлены от облаков и городского свечения, но многие из них, включая "Хаббл", наблюдают объекты, пересекающиеся с низкой околоземной орбитой — зоной высотой примерно до 1 200 миль.

Проверка модели на данных "Хаббла"

Чтобы оценить точность расчётов, команда сравнила прогнозы с реальными наблюдениями "Хаббла" за период с 2018 по 2021 год. Результат совпал: около 4,3 % изображений уже содержали хотя бы один спутниковый след.

Это совпадение показало, что модель достаточно точно описывает текущую орбитальную среду и позволяет оценивать будущие риски для астрономии.

Поле зрения решает многое

Частота пересечений напрямую зависит от поля зрения телескопа. В среднем на одно изображение "Хаббла" приходилось два следа, тогда как телескопы с широким обзором, такие как китайский Xuntian, в моделях получали до 90 полос за один кадр.

Для миссий обзорного типа это означает, что без изменений в конструкции спутников и орбит полосы могут появляться почти на каждом снимке.

Яркость важнее количества

Особую тревогу вызывает поверхностная яркость полос. Даже слабый след способен исказить данные при изучении тусклых галактик, распределения тёмной материи или химического состава далёких туманностей.

Самые заметные полосы дают спутники с активной подсветкой. При этом предсказать их яркость сложно, поскольку компании редко раскрывают подробности формы аппаратов и характеристик покрытий. Аналогичные проблемы точности прогнозов уже обсуждаются в других областях науки, где сложные системы зависят от неполных данных, например при моделировании космических процессов и экстремальных сред.

Почему космические обсерватории особенно уязвимы

Космические телескопы проводят длительные экспозиции, собирая свет от крайне слабых объектов. Потеря одного кадра может означать утрату уникального события, особенно если речь идёт о кратковременных вспышках или редких выравниваниях.

Астрономы умеют бороться с космическими лучами и дефектами детекторов, но спутниковые полосы создают структурированный шум, который сложнее удалить без потери полезной информации.

Смягчение проблемы оказалось непростым

Производители спутников экспериментируют с тёмными покрытиями и солнцезащитными экранами, однако даже небольшие отражающие элементы могут оставлять яркие следы. Кроме того, ориентация, которая кажется тусклой с поверхности Земли, может выглядеть гораздо ярче для орбитального телескопа из-за угла освещения.

Со временем ситуация осложняется: стареющие или вышедшие из строя аппараты могут вращаться хаотично, создавая внезапные вспышки, которые не всегда учитываются программами прогнозирования.

Данные орбит и точность

Эффективное избегание полос требует чрезвычайно точных данных о положении спутников. Многие публичные трекеры используют так называемые двухлинейные элементы орбиты, которых недостаточно для нужд космических обсерваторий.

Исследователи подчёркивают, что для низкоорбитальных телескопов точность должна измеряться буквально в дюймах, а не в милях. Это возможно только при более тесном обмене обновлёнными орбитальными данными и создании открытых архивов.

Выборы в дизайне и стратегии наблюдений

Некоторые миссии вводят строгие ограничения на наведение телескопов, чтобы избегать бликов Земли и снизить риск пересечений. Однако такие меры сокращают доступное научное время и оставляют "дыры" в обзоре неба.

Уменьшение длительности экспозиций снижает вероятность полос, но увеличивает объём повторных наблюдений и усложняет обработку данных. Подобные компромиссы уже знакомы исследователям, работающим с большими массивами наблюдений, включая проекты по анализу данных о космическом времени и навигации.

Что могут сделать спутниковые компании

В докладе 2020 года учёные призвали операторов снижать яркость аппаратов и координировать действия с обсерваториями. Астрономы могут маскировать повреждённые пиксели, но это требует дополнительных ресурсов и усложняет автоматические конвейеры обработки.

Некоторые телескопы уже используют программное планирование, подстраивая наблюдения между пролётами спутников. Однако при переполненных орбитах такие "чистые окна" становятся всё реже.

Плюсы и минусы спутникового бума

Массовые спутниковые системы обеспечивают быстрый интернет и связь для удалённых регионов. Но одновременно они создают нагрузку на научные миссии, рассчитанные на десятилетия работы.

Плюсы: глобальная связь, новые сервисы, экономический эффект.
Минусы: рост светового загрязнения орбиты, потеря научных данных, дополнительные затраты на коррекцию наблюдений.