همانطور که منظومه ماهواره‌ها در مدار پایین زمین ما (LEO) زیاد می‌شوند ، مطالعات نجومی و مسیرهای شغلی دانش‌آموزان از مطالعه اسرار فضا به اندازه‌گیری و کاهش اثرات انسانی بر فضا هدایت می‌شوند. به همین ترتیب، صنعت ماهواره‌سازی تشویق شده تا طرح‌های ماهواره‌ای را برای کاهش آسیب به علم تنظیم کنند. مقاله امروز ثمرات چنین کارهایی را با تجزیه و تحلیل درخشش طرح‌های مختلف ماهواره‌ای که در چند سال اخیر ظاهر شده‌اند، مقایسه می‌کند. نویسندگان همچنین دو معیار را پیشنهاد می‌کنند – یکی برای اخترشناسان، دیگری برای صنعت – برای کمک به بهبودهای بیشتر و راه‌حل‌های آینده.

برای انجام این مطالعه، نویسندگان از اخترنگار رصدخانه Steward SSA برای انجام بیش از 16000 اندازه گیری مستقل از نزدیک به 2800 ماهواره استارلینک و وان‌وب استفاده کردند. از آنجایی که رصد همه ماهواره‌های قابل مشاهده در طول شب غیرممکن بود، نویسندگان همچنین برای رصد زیرمجموعه انتخابی خود و مشاهده تفاوت‌ها در طراحی ماهواره‌های ساخته شده زمانبندی کردند. شاید منحصر به فردترین جنبه این ابزار قابل حمل بودن آن باشد – اختر نگار SSA رصدخانه Steward در محفظه نصب شده روی تریلی قرار دارد . تحرک محفظه آن باعث می‌شود که ابزار جابه جا شود و برنامه‌های رصدی مختلف بدون نیاز به جابجایی کل رصدخانه تکرار شوند!

تحقیق و توسعه در میدان دید

ماهواره های موجود در مقاله امروزی شامل نسخه های قبلی استارلینک و ساختار فعلی وان‌وب هستند (شکل 1). با توجه به بازخورد جامعه نجومی در مورد درخشش آنها، استارلینک چندین تحقیق و توسعه (R&D) را برای اجسام تیره‌تر انجام داده است. از آنجایی که اسپیس ایکس هر 1 تا 10 روز یک بار ماهواره‌ها را پرتاب می‌کند ، اخیراً نمونه‌های اولیه تنظیم‌شده‌ای را به فضا پرتاب کرده است که اخترشناسان می‌توانند برای ردیابی چگونگی تأثیر این تغییرات بر رصدها، نظارت کنند.

در واقع، همانطور که این مقاله گزارش می‌دهد، تا پایان سال 2022، 3460 از 12000 ماهواره استارلینک مورد انتظار به مدار پرتاب شده است. “منظومه” ماهواره‌ای گسترده ممکن است تا 42000 ماهواره را شامل شود. بدنه اصلی استارلینک دارای پیکربندی است که وقتی بسته می‌شود شبیه باله کوسه است و وقتی باز است شبیه کتاب است و بازتاب خورشیدی آنها را تغییر می‌دهد. بر اساس بازخورد جامعه نجومی، مواد سفید استفاده شده بر روی آنتن‌های رو به سمت القدم (جهت مخالف سمت الراس) در نمونه اولیه استارلینک دارک‌ست v1 تیره‌تر شد – تک ماهواره نمونه که در دی ماه 1398 پرتاب شد.

به جای آزمایش بدنه‌های تیره‌تر، استارلینک برای محافظت از نور منعکس‌شده از خورشید، گیره‌ای اضافه کرد که در سری استارلینک ویزروست v1 که در اردیبهشت 1399 راه اندازی شد و در این مطالعه نیز مشاهده شد، معرفی شد. با توجه به موفقیت این نمونه اولیه، تمامی ماهواره‌های پرتاب شده از مرداد 1399 تا اردیبهشت 1400 از این طرح استفاده می‌کنند.

• ماهواره‌ها علیه ستاره‌ها: کدام آسمان را تسخیر خواهد کرد؟

تغییر طراحی دیگری توسط استارلینک در نسخه استارلینک v1.5 ظاهر شد که از خرداد 1400 تا دی 1401  راه اندازی شد و دارای برچسب‌های پوششی است که آنتن‌های آرایه فازی رو به سمت القدم را می‌پوشاند و در نظر گرفته شده است که نور را به فضا بازتاب دهد.

از سوی دیگر، ماهواره‌های وان‌وب دارای سبک «جعبه بال» هستند و تا آخر پاییز سال 1401، 500 ماهواره از مجموع 648 ماهواره در مدار هستند. با پتانسیل گسترش منظومه به بیش از 6000. تا به امروز، طراحی خود را به شیوه‌ای شبیه به استارلینک آزمایش نکرده‌اند.

نویسندگان امروزی تعیین کردند که یک معیار مفید برای اپراتورهای ماهواره ، آلبدوی ماهواره یا کیفیت بازتابی آن است. اخترشناسان ممکن است با این مفهوم در زمینه ماه و نحوه انعکاس نور خورشید و تداخل با سایر رصدهای اخترفیزیکی با افزایش روشنایی آسمان آشنا باشند.

نسل‌های مختلف طراحی ماهواره استارلینک، همانطور که نویسندگان به آن اشاره کردند، آلبیدوی مؤثر ماهواره‌ها را در هندسه‌های خاص کاهش دادند، اما نه همه. در واقع، نور منعکس شده تا بیش از 50 درصد با اندازه گیری آلبدوی موثر کاهش یافت. با این حال، این درصد قابل توجه تنها به تفاوت 0.5-1.0 قدر بصری می‌رسد، که کمتر از تفاوت بین نسر واقع و شباهنگ است. برای مثال، هر دو نسخه دارای گیره (استارلینک ویزروست  v1.0) و برچسب‌های آینه (استارلینک  v1.5) هنوز معمولاً به اندازه قدر 5 روشن ظاهر می‌شوند، یعنی 2 قدر روشن‌تر از آستانه قدر 7 که توسط IAU CPS درخواست شده است.

نویسندگان خاطرنشان می‌کنند که کاهش مقدار نور منعکس شده به میزان 84 درصد یک چالش مهندسی مهم خواهد بود. شاید این کار برای استارلینک سخت نباشد، زیرا آنها از نظر تاریخی ثابت کرده‌اند که آینده‌ای بلندپروازانه را دنبال می‌کنند، همانطور که در اعلامیه پیشگیرانه استفاده از استارلینک در مریخ که توسط هر مشتری استارلینک در شرایط خدمات امضا شده است، نشان داده شده است.

شهاب‌های همیشه در آسمان

اگر به اندازه کافی خوش شانس هستید که آرزوی شهاب کرده‌اید ، احتمالاً درخشی را که توجه شما را جلب کرد، به یاد دارید که به همان سرعتی که آمد، محو شد. ماهواره‌ها نیز در طول مسیر خود روشنایی‌شان تغییر می‌کنند ، اما مانند شهاب کاملاً محو نمی‌شوند. به طور کلی، ماهواره‌های LEO با سرعت‌های مختلف در فضا حرکت می‌کنند و تمام آسمان را در 10 تا 20 دقیقه طی می‌کنند. زمان و مدت افزایش درخشندگی ماهواره با زاویه‌ای که بین خورشید و ناظر ایجاد می‌کند و همچنین هندسه قطعات بازتابنده آن بر روی عرشه ارتباط دارد.

نویسندگان امروزی به دقت توجه کردند تا ببینند کجای آسمان بیشترین زوایای ماهواره-خورشید را ایجاد می‌کند. به‌طور تکان‌دهنده، این ماهواره‌ها در سمت الراس، جایی که نور فاصله کمتری در جو طی می‌کند، درخشان‌ترین ظاهر نشدند. درعوض، ماهواره‌ها معمولاً در ارتفاعات متوسط ​​روبه‌روی خورشید درخشان‌ترین بودند. نویسندگان خاطرنشان می‌کنند که برخی از تنظیمات، مانند چشم‌اندازهای فیزیکی در خود ماهواره‌ها برای جلوگیری از نور (استارلینک ویزروستv1.0 )، مؤثر نبودند و در مناطقی از آسمان در مقابل خورشید می‌درخشیدند.

از نظر تاریخی، اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ها، مانند اندازه‌گیری‌های موجود در شکل 2 و شکل 3، از نظر قدر به عنوان روشی شهودی برای ستاره‌شناسان برای مقایسه با درخشندگی ستاره‌ها و اینکه ماهواره‌ها چقدر درخشان‌تر از اجرام آسمانی هستند که سعی در اندازه‌گیری آن‌ها دارند، انجام شده است. با این حال، مانند شهاب، روشنایی ماهواره‌ها در طول خط دید ناظر، تغییر می‌کند.

بنابراین، نویسندگان یک ویژگی اضافی را محاسبه کردند، “شار فوتون در هر ثانیه قوس” دنباله‌ی ماهواره، همانطور که از طریق تلسکوپ 1 متری رصد می‌شود، زیرا تمام ماهواره‌های استارلینک و وان‌وب به راحتی توسط تلسکوپ کلاس 1 متر دیده می‌شوند. بزرگترین نقطه قوت استفاده از شار فوتون، بر خلاف قدر، این است که سرعت حرکت ماهواره در آسمان را در نظر می‌گیرد که در تلسکوپ به صورت تغییر در روشنایی ظاهر می‌شود. برای مثال، به نظر می‌رسد که ماهواره‌ها در سمت الراس بسیار سریع‌تر از نزدیک افق حرکت می‌کنند، بنابراین اگر نزدیک به افق باشند، برای همان زمان نوردهی بسیار روشن‌تر به نظر می‌رسند.

نویسندگان همچنین خاطرنشان می‌کنند که حتی اگر حسگرهای ظریفی که برای اندازه‌گیری‌های کم‌نور، دور و پیشرفته استفاده می‌شوند، توسط مسیرهای ماهواره‌ای اشباع نشده باشند، نویز فوتون پواسونی ناشی از نور اضافی ممکن است به اندازه‌ای بزرگ باشد که یک جرم آسمانی ضعیف و همپوشانی را کاملاً پنهان کند.

کور شده توسط نورها

نویسندگان توضیح می‌دهند که کاهش اثرات آلودگی نوری ماهواره‌ای به تلاش‌های قابل توجهی از سوی دانشگاه و صنعت نیاز دارد. ابزارهای نرم افزاری جدید و روش‌های پردازش تصویر برای ستاره‌شناسان مورد نیاز خواهد بود. به منظور ادامه کشف اسرار جهان و برانگیختن کنجکاوی برای آنچه فراتر از حجاب جَوی ما نهفته است، برنامه‌ریزی استراتژیک توسط اپراتورهای تلسکوپ لازم است تا شانسی را در اطراف بدنه‌های درخشان ماهواره‌ها ایجاد کنند، علاوه بر این، شاترهای سریع‌تری ایجاد می‌کنند که ممکن است مقداری نور اضافی را مسدود کند. حتی در سطح بودجه، نویسندگان اشاره می‌کنند که برنامه‌های رصدی جدید باید هنگام برنامه‌ریزی روش‌شناسی و ارائه پیشنهاد، تأثیرات و خطرات ناشی از تداخل ماهواره‌ای را در نظر بگیرند.

نویسندگان امیدوارند که اپراتورهای ماهواره بتوانند از نمودارهای آسمان آلبیدوی موثر برای درک هندسه‌هایی که ماهواره‌هایشان نور بیشتری را منعکس می‌کنند استفاده کنند و از این اطلاعات برای ارزیابی طراحی ماهواره‌شان و شناسایی فرصت‌هایی برای اصلاح طرح برای کاهش روشنایی ظاهری استفاده کنند.

طبق اقدامات کارگاه SATCON1 ، نویسندگان تکرار می‌کنند، هیچ راه حل واحدی به طور کامل تمام تأثیرات را کاهش نمی‌دهد، و همچنین هیچ گروه واحدی مسئول تولید همه راه حل‌ها نیست. همزیستی در مدار پایین زمین، برای علم و صنعت، نیاز به جلسات زیادی در طی زمان دارد.