Na razie Starlinki nie są bardziej szkodliwe dla obserwacji niż zła pogoda, ale to się szybko zmienia

Analiza wpływu satelitów Starlink na obserwacje bazuje na masowym przeglądzie północnego nieba ZTF przez teleskop w obserwatorium Palomar w KaliforniiLiczba satelitów Starlink, które są na orbicie, może wzrosnąć do 2027 roku sześciokrotnie, a w odleglejszej przyszłości nawet ponad dwudziestokrotnieNajwięcej szkód Starlinki wywołują w przypadku obserwacji wykonywanych o zmierzchu lub o świcieNiesprzyjająca pogoda wciąż ma co najmniej tak samo szkodliwy wpływ na obserwacje co StarlinkiWpływ Starlinków na obserwacje w ogólnym ujęciu to kwestia indywidualna, zależna od typu teleskopu i charakteru obserwacji

Zadania oceny wpływu satelitów Starlink na obserwacje astronomiczne podjął się międzynarodowy zespół astronomów pod przewodnictwem dr. Przemysława Mroza z Obserwatorium Uniwersytetu Warszawskiego. Wyniki opublikowano w dokumencie pod tytułem "Impact of the SpaceX Starlink Satellites on the Zwicky Transient Facility Survey Observations”.

Na warsztat wzięto obserwacje wykonywane w ramach projektu ZTF (Zwicky Transient Facility), które są istotne między innymi ze względu na monitorowanie i wykrywanie asteroid bliskich Ziemi i mogących potencjalnie nam zagrozić.

Ślad satelity na zdjęciu nieba jest szczególnie szkodliwy, gdy kluczowa jest jak najszybsza detekcja konkretnych zjawisk czy też nowych obiektów na niebie

W przypadku takich obiektów ważne są zdjęcia wykonywane w godzinach wieczornych, po zachodzie Słońca, a także tuż przed jego wschodem. Wtedy bowiem dla pomiarów optycznych dobrze widoczne stają się orbity obiektów poruszających się w pobliżu Słońca, a zarazem w pobliżu Ziemi.

Ze względu na pokrycie całego nieba obserwacjami, istnieje duże prawdopodobieństwo, że na obrazach zarejestrowanych w przeglądzie ZTF znajdą się satelity, w tym Starlinki.

ZTF to przegląd nieba, który wykorzystuje 120 cm średnicy teleskop Samuela Oschin w obserwatorium Palomar. Jako detektor światła służy kamera, złożona z 16 sensorów CCD o rozdzielczości około 38 Mpix każdy. Jedna ekspozycja składa się z 64 mniejszych obrazów (każda kamera jest odczytywana jako cztery oddzielne sektory) i pokrywa obszar nieba o powierzchni 47 kwadratowych stopni kątowych. Dla porównania powierzchnia połowy sfery, czyli to co widzimy nad naszymi głowami w danym momencie to 20626,5 kwadratowych stopni kątowych.

Kamera ZTF w ciągu dwóch dni jest w stanie dokonać przeglądu całego widocznego z miejsca obserwacji nieba (dokładnie rzecz ujmując, północnej półkuli nieba) w dwóch filtrach (zbliżone do koloru niebieskiego i czerwonego). Zasięg obserwacji to około 20,5 magnitudo.

Jak sugeruje element nazwy, Transient, celem projektu jest poszukiwanie zjawisk, które manifestują się chwilowym, zwykle jednorazowym, zwiększeniem jasności w danym miejscu nieba. Do takich zjawisk zalicza się supernowe, wizualne odpowiedniki błysków gamma, zjawiska mikrosoczewkowania, ale też stosunkowo szybko poruszające się obiekty jak komety i asteroidy zmieniające położenie na niebie z ekspozycji na ekspozycję.

Taki projekt, nastawiony na wykrywanie pojawiających się jednorazowo, ewentualnie krótkotrwale, zjawisk czy obiektów, szczególnie dobrze nadaje się do wykrywania i wstępnego śledzenia przelatujących w pobliżu Ziemi asteroid.

W trakcie przygotowywania analizy, flota Starlinków liczyła około 1800 satelitów na wysokości około 550 kilometrów (traktowane jako niska orbita ziemska, LEO). To orbita docelowa, wcześniej satelity SpaceX znajdują się niżej w trakcie podnoszenia swojej wysokości po wyniesieniu przez rakiety w kosmos. Liczba 1800 może nie robić wielkiego wrażenia, ale zestawmy ją z liczbą wszystkich satelitów, które znajdują się na niskiej orbicie ziemskiej, która wynosi około 7500.

Teraz weźmy pod uwagę, że SpaceX chce umieścić łącznie około 12000 Starlinków w kosmosie (na kilku różnych wysokościach, tak zwanych otoczkach) i to w obecnie realizowanej fazie projektu, która ma potrwać do 2027 roku. Dalsze plany przewidują nawet kilkukrotne zwiększenie tej liczby, SpaceX złożył wnioski o zezwolenie dla nawet 30000 kolejnych satelitów.

Autorzy artykułu, do którego nawiązujemy w tym tekście sugerują, że uwzględniając także ambicje OneWeb, Amazona czy Samsunga, można spodziewać się co najmniej ponad 10 krotnego wzrostu liczby obiektów na niskiej orbicie ziemskiej na przestrzeni najbliższej dekady.

Czy jednak obecna oraz spodziewana liczba Starlinków i satelitów innych koncernów, którym marzy się globalny satelitarny internet, faktycznie stanowi już dziś przeszkodę dla astronomów? Odpowiedź jest twierdząca, bo każda zepsuta obserwacja to jednak obserwacja zepsuta, pozostaje nam za to ocena jak istotny jest ten wpływ.

Z im większą częstotliwością teleskop obserwuje dany fragment nieba, czy konkretną gwiazdę, tym mniejsze są szanse na to, że na ekspozycji pojawi się ślad satelity. A nawet jeśli się pojawi, to jeśli dane obserwacje są często powtarzane, a charakter obserwowanego obiektu nie wykazuje zmienności typu jednorazowego, a periodyczny, nawet kilka popsutych obrazów nie będzie większym problemem. Problem może się pojawić, gdy każda kolejna obserwacja jest zakłócona przez ślad satelity i to nie tylko pojedynczy ślad, ale na razie nie ma takiego zagrożenia.

Inaczej jest w sytuacji, gdy obserwacje prowadzone są w dużych odstępach czasu lub nastawione są na wykrywanie zjawisk jednorazowych. Dotyczy to szczególnie projektów, które zakładają stały monitoring całego dostępnego nieba za pomocą teleskopów. Wtedy nawet jedna zepsuta obserwacja może sprawić, że umknie nam ważne wydarzenie lub jego detekcja odsunie się w czasie do kolejnej niezakłóconej obserwacji. Czasem to może być nawet kilka dni.

Na stopień zakłóceń wpływa też jasność satelity, a raczej stopień w jakim odbija on światło słoneczne. Im głębsze (nastawione na słabe obiekty) przeglądy nieba, tym słabszy musi być blask satelity, by jego przelot nie pozostawił śladu znacznie jaśniejszego niż poszukiwane obiekty i zjawiska, które astronomowie spodziewają się wykryć.

Na obecnym etapie rozwoju sieci Starlink najwięcej problemów w przypadku ZTF sprawiają satelity w przypadku obserwacji wykonywanych na początku i pod koniec nocy. Wtedy są one także najlepiej widoczne. W ciągu nocy flota Starlink nie jest problemem, choć jak sugeruje Przemek Mróz, wiele zależy od tego na jakich orbitach znajdą się kolejne Starlinki wynoszone w przyszłości, a także satelity konkurencji. Jeśli będą one wyższe niż dotychczasowe, to problem może stać się istotny także dla tych później wykonywanych obserwacji.

Tymczasem stopniowy wzrost liczby Starlinków od 2019 roku przyczynił się do 40 krotnego wzrostu liczby zdjęć wykonywanych po zachodzie Słońca i przed wschodem, na których widoczne są ślady tych satelitów. W 2019 odsetek takich zepsutych obserwacji wynosił 0,5%, pod koniec 2021 roku było to już 20%. Co ważne, gdy liczebność floty Starlinków osiągnie około 10000, praktycznie każde ujęcie wykonane przez przegląd ZTF tuż po zachodzie Słońca lub przed jego wschodem będzie zawierać ślad przelatującego satelity. 

Pełna flota Starlinków ma kiedyś liczyć około 42 tysięcy satelitów. Gdyby tak się stało, a jasność satelitów nie uległaby zmianie, na każdym obrazie wykonanym o zmierzchu przez przegląd ZTF, widać byłoby około czterech śladów po satelitach

Obecnie ślad po satelicie Starlink zajmuje mniej niż 0,1% powierzchni obrazu. Z jednej strony to mało, z drugiej przy stosunkowo dużym odstępie czasowym pomiędzy obserwacjami, które muszą pokryć przecież całe widoczne niebo, taki ślad może teoretycznie przesłonić bardzo ważny obiekt.

Na razie ślady po Starlinkach ograniczają się średnio do około jednego na każdym zepsutym zdjęciu (dokładnie 1,09 śladu na zdjęcie, w przypadku ZTF mowa o komplecie 64 obrazów), choć trafiają się zdjęcia na których widać nawet 15 takich śladów. Wciąż nie wydaje się to, aż tak dużym problemem. Tak twierdzi współautor analizy, Tom Prince, były profesor Caltech, który obecnie za równie szkodliwą uważa niekorzystną pogodę, która przecież kompletnie uniemożliwia obserwacje. I to nie pojedynczą, ale całą ich sekwencję.

Istnieje niewielka szansa, że przegapimy asteroidę lub inne zjawisko, które skryło się za śladem satelity, lecz porównując te straty do wpływu pogody, w tym zachmurzenia, mają one raczej mały wpływ na obserwacje ZTF (Tom Prince)

Poza tym wciąż mowa o obserwacjach tuż po zachodzie Słońca i przed jego wschodem, pozostaje jeszcze ogrom obserwacji nocą, na razie nie zakłócanych w zauważalny sposób przez Starlinki w przypadku obserwacji ZTF.

Tak więc astronomowie alarmując o szkodliwości Starlinków mają przede wszystkim na myśli to co się stanie w niezbyt odległej przyszłości. Lecz muszą tak postępować, bo projekty obserwacyjne to działania, których skala czasowa bywa dłuższa niż tempo rozwoju technologii internetu satelitarnego. 

Teoretycznie należałoby taką zepsutą obserwację powtórzyć od razu, ale ma to swoje wady. Wpływa na harmonogram obserwacji nieba, poza tym jeśli coś umknęło naszej uwadze ze względu na satelitę to i tak dodatkowa obserwacja nie przywróci poprzedniego stanu.

Znacznie lepszym rozwiązaniem jest takie planowanie obserwacji, by przelatujących satelitów na zdjęciach nie było. Można to osiągnąć wiążąc harmonogram obserwacji z harmonogramem przelotów satelitów przez dany fragment nieba. Dzięki komputerowemu wspomaganiu można dokładnie wyliczyć momenty, w których nic nie przesłoni pola widzenia i wtedy należy zaplanować obserwacje.

Same ślady, gdy już się pojawią na obrazach nieba, również mogą być eliminowane. Danych obserwacyjnych jest bowiem ogrom i analizowane są one automatycznie przez oprogramowanie. Zastosowanie algorytmów, które wykrywają taki ślad po satelicie, pozwoli wyeliminować go z analizowanej porcji danych. Po to, by nie było fałszywych detekcji.

Przytoczona tutaj analiza dotyczy projektu ZTF i obserwacji o konkretnym charakterze. Choć można te wnioski uogólnić obecnie na szerszą klasę obserwacji astronomicznych, realny wpływ satelitów powoli staje się kwestią indywidualną.

To konsekwencja rosnącej liczby satelitów Starlink i im podobnych, które już są lub pojawią się niebawem na orbicie, a których oddziaływań na obserwacje jeszcze dokładnie nie przewidziano. Autorzy cytowanego tekstu wspominają o obserwatorium Very C. Rubin w Chile, które z pomocą 3,2 Gpix kamery również zajmie się wielkoskalowym przeglądem nieba. Ze względu na dużo wyższą czułość sensorów jak i powierzchnię zwierciadła teleskopu, nawet bardzo słabo odbijające światło satelity mogą okazać się wtedy poważną przeszkodą.

A z pomiarów dotyczących ZTF wynika, że dotychczas stosowanie mechanizmów obniżających jasność Starlinków, choć objawia się w zauważalny sposób, wciąż nie daje spadku blasku, jaki oczekują astronomowie.

Źródło: Palomar Observatory, Caltech, inf. własna