Come gli astronomi stanno salvando l’astronomia dai satelliti – per ora

Nel dicembre 2020, gli astronomi hanno documentato un’esplosione di luce altamente energetica in una delle galassie più distanti mai osservate. Ma meno di un anno dopo, le affermazioni del giornale giacevano nel limbo. Altri scienziati hanno detto che si era trattato semplicemente di un satellite di passaggio.

«Mi ha un po’ rattristato il fatto che il lampo di raggi gamma si sia rivelato essere solo un satellite artificiale», ha detto Krzysztof Kamiński, un astronomo dell’Istituto dell’Osservatorio Astronomico in Polonia, che ha affermato di aver confrontato la posizione, l’ora e la luminosità della scoperta con un satellite in orbita. navicella spaziale.

Linhua Jiang, un astronomo dell’Università di Pechino che ha guidato la scoperta originale, ha detto che il suo team ha mantenuto il proprio lavoro, aggiungendo che la probabilità che un satellite passi direttamente davanti alla galassia lontana esattamente al momento giusto è, nella migliore delle ipotesi, minuscola.

La disputa probabilmente non sarà l’ultima volta che gli scienziati discuteranno se un satellite in transito possa essere scambiato per una scoperta astronomica.

Le orbite della Terra si stanno riempiendo di satelliti a un ritmo sorprendente. Ci sono già più di 9.000 satelliti in orbita attorno al pianeta, e più di 5.000 appartengono a Starlink, la costellazione costruita da SpaceX per trasmettere il servizio Internet sulla Terra. A loro si aggiungeranno migliaia di satelliti di altre aziende e paesi nei decenni a venire.

Più ce ne sono, maggiore sarà l’interferenza dei satelliti con la capacità dell’astronomia terrestre di rispondere a domande sul cosmo e sul posto dell’umanità in esso.

SpaceX non ha risposto alle richieste di commento. Ma gli astronomi sul campo hanno affermato di non essere pronti a cedere i cieli notturni a treni di satelliti appena schierati. Stanno combinando nuove e vecchie tecnologie con ingegno per affrontare i proliferanti ostacoli alle loro osservazioni. Stanno anche lavorando con l’industria per trovare soluzioni per oscurare i satelliti. E stanno cercando di persuadere i regolatori a prestare maggiore attenzione alla crescita esponenziale dell’industria satellitare.

Le strategie stanno dando i loro frutti, per ora. Ma il tentativo dei ricercatori di preservare il potere dell’astronomia deve affrontare svantaggi fondamentali. Potrebbero volerci decenni per costruire nuovi telescopi, mentre decine di nuovi satelliti potrebbero essere aggiunti al cielo notturno ogni settimana.

“Le scale temporali sono molto discordanti”, ha affermato Meredith Rawls, ricercatrice presso l’Osservatorio Vera C. Rubin, un potente telescopio finanziato dagli Stati Uniti in Cile che sarà operativo nel 2025. “La velocità con cui l’industria satellitare sta progettando e il lancio del loro hardware è rapidissimo rispetto all’astronomia.”

Per fotografare il cielo notturno, gli operatori del telescopio da più di un secolo catturano immagini su lastre di vetro.

La situazione ha cominciato a cambiare con l’emergere dei rilevatori di dispositivi ad accoppiamento di carica. Inventati per la prima volta nel 1969, i CCD sono digitali e scattano immagini circa 100 volte più velocemente delle fotocamere a pellicola.

Negli anni ’80 emersero alcuni dei primi telescopi dotati di “occhi” CCD elettronici. Oggi, i telescopi di tutto il mondo continuano a fare affidamento su questa tecnologia vincitrice del Premio Nobel. Sebbene i CCD non siano la tecnologia per fotocamere più veloce attualmente disponibile, sono comunque i più comuni. Ci vogliono decenni anche per costruire i più potenti osservatori terrestri, e molti sono stati progettati pensando ai livelli di tecniche di imaging del XX secolo.

Ciò include l’Osservatorio Vera Rubin, dal nome di un astronomo che ha svolto un ruolo centrale nella scoperta della materia oscura. La sua missione include l’individuazione di asteroidi che distruggono il pianeta e lo studio della relazione tra materia oscura ed energia oscura.

Il telescopio si basa su un gigantesco rilevatore CCD che ha all’incirca le stesse dimensioni di un’auto media, ma diverse migliaia di chili più pesanti. È la più grande fotocamera digitale astronomica mai costruita. Catturando un ampio campo del cielo, dovrebbe scrutare i misteri di oggetti 20 milioni di volte più deboli di quanto l’occhio umano possa vedere.

Ma poiché i satelliti riempiono i cieli, gli astronomi che intendevano affidarsi al telescopio Rubin per le scoperte scientifiche sono preoccupati.

«Il punto centrale di Rubin è quello di aprire questa nuova finestra nell’universo per trovare cose che non sapevamo nemmeno di cercare», ha detto il dottor Rawls. «E se invece guardassimo attraverso l’equivalente di un parabrezza pieno di insetti, non sai cosa non vedrai.»

Alcuni telescopi che utilizzano rilevatori CCD studiano una fetta di cielo così stretta che i satelliti potrebbero non interferire con loro. Ma l’ampia visuale del telescopio Rubin pone problemi unici. Uno studio ha dimostrato che, durante certi orari della notte, quasi ogni immagine presa dal telescopio sarà rovinata da almeno uno, se non molti, satelliti, bruciando una scia larga centinaia di pixel.

Il dottor Rawls ha delineato due strategie per affrontare questa minaccia al telescopio: schivare e correggere.

Se gli astronomi conoscono in anticipo i percorsi dei satelliti, la tecnologia può anticipare e “schivare” i satelliti puntando temporaneamente il telescopio.

«Utilizziamo un algoritmo per determinare dove punta il telescopio», ha detto il dottor Rawls. “L’algoritmo è brillante, può tenere conto di molti pesi diversi”, ha aggiunto, incluso evitare sciami di satelliti.

Il dottor Rawls ha detto che la schivata dovrebbe rimuovere circa la metà delle strisce dal telescopio di Vera Rubin, a seconda di quanti satelliti sono in orbita.

Per quanto riguarda la strategia di correzione, il dottor Rawls ha affermato che gli scienziati stanno sviluppando algoritmi per eliminare i satelliti dai dati – un compito molto più impegnativo – ma meno distruttivo per le osservazioni.

Ma dato che le soluzioni software sono tutte imperfette e impegnative, alcuni esperti hanno suggerito ai costruttori di telescopi di pensare a cambiare il loro hardware.

Darren DePoy, un astronomo della Texas A&M University, ha collaborato con alcuni dei primi telescopi negli anni ’80 a utilizzare i CCD. Nel 2018, ha iniziato a testare e infine a utilizzare un rilevatore molto più onnipresente: CMOS, per semiconduttore di ossido di metallo complementare, lo stesso tipo che probabilmente si trova nella fotocamera dello smartphone.

«Sebbene la fisica sia molto simile per i rilevatori CCD e CMOS, il modo in cui si ottiene il segnale è leggermente diverso», ha affermato il dott. DePoy. «Per CMOS, puoi leggere tutti i pixel contemporaneamente, mentre devi aspettare per leggere ciascun pixel in sequenza su un rilevatore CCD.»

Ad esempio, il dottor DePoy ha affermato che mentre un moderno CCD potrebbe richiedere circa 10 secondi per fotografare una galassia debole, il rilevatore CMOS equivalente impiegherebbe circa 10 millisecondi, ovvero 1.000 volte più veloce. Effettuando numerose esposizioni rapide, gli astronomi possono eliminare i fotogrammi macchiati dai satelliti o dagli aeroplani, quindi calcolare la media del resto per creare un’immagine finale incontaminata.

Il dottor DePoy ha affermato che i piccoli rilevatori CMOS sono già popolari tra gli astrofili che possiedono telescopi amatoriali. Trova difficile immaginare che CMOS non sia il futuro. Ma, per ora, ha stimato che meno di 10 telescopi più grandi utilizzano questa tecnologia.

Parte del lento abbraccio è dovuto al fatto che l’inerzia è più economica.

L’acquisto e l’integrazione di rilevatori CMOS di grandi dimensioni è ancora costoso rispetto all’utilizzo dei rilevatori CCD esistenti, ha affermato Richard Green, astronomo dell’Università dell’Arizona e direttore ad interim presso il Center for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference, un’organizzazione che sponsorizza la ricerca sull’argomento.

Questo problema è stato notato dalla dottoressa Rawls quando le è stato chiesto se il telescopio Rubin potesse utilizzare la tecnologia CMOS.

“L’idea di cambiarlo adesso è semplicemente ridicola”, ha detto. «Perché è come se stessi costruendo una casa e stanno per mettere le finestre e qualcuno dice: ‘Ehi, dovremmo usare una base diversa?'»

Il governo degli Stati Uniti sta sostenendo la commercializzazione dello spazio e sponsorizzando telescopi come l’Osservatorio Rubin. Per questo motivo, il dottor Green ha affermato che spetta al governo affrontare gli effetti sull’astronomia, magari facendo pagare alle aziende il pagamento degli aggiornamenti dei telescopi.

«Se il governo dice che lo faremo assegnando una tariffa agli operatori satellitari, beh, sarebbe fantastico», ha detto. “Qualcuno nel governo dovrebbe aiutarci ad affrontare le ricadute”.

Finora il governo non si è mosso per obbligare gli operatori satellitari a contribuire a pagare gli aggiornamenti dei telescopi. Ma alcune aziende stanno tentando di affrontare alcuni aspetti del problema.

SpaceX ha rifiutato di commentare quando gli è stato chiesto del lavoro dell’azienda per ridurre gli effetti dei suoi satelliti sulla scienza. Ma gli astronomi che hanno familiarità con i suoi sforzi hanno descritto parte del lavoro.

Quando nel 2019 il fondatore di SpaceX, Elon Musk, fu criticato dopo il lancio dei primi satelliti Starlink, disse su Twitter di aver «ha inviato una nota» agli ingegneri, chiedendo loro di ridurre i riflessi della luce solare provenienti dagli orbitanti della compagnia.

«SpaceX conta legioni di nerd dell’astronomia tra le sue fila, quindi l’importanza di proteggere quel dominio scientifico non sfugge a loro», ha affermato Caleb Henry, direttore della ricerca presso Quilty Space, che fornisce analisi dell’industria spaziale.

Il primo tentativo prevedeva un rivestimento che assorbe la luce e che oscurava i satelliti. Un prototipo chiamato DarkSat è stato lanciato nel 2020, secondo Jonathan McDowell, un astronomo dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysicals.

«Il problema era che l’attrezzatura all’interno si surriscaldava», ha detto. Il satellite ha fallito.

Il dottor McDowell ha affermato che il passo successivo di SpaceX è stato quello di installare degli ombrelli sui suoi satelliti, un’idea che è stata rapidamente scartata perché non solo gli ombrelli facevano ben poco per oscurare i satelliti, ma bloccavano anche i collegamenti incrociati laser che SpaceX stava sviluppando per consentire ai suoi satelliti di comunicare. insieme.

Il tentativo più recente dell’azienda prevedeva un rivestimento con pellicola dielettrica. Contrariamente alle aspettative, ciò ha reso i satelliti più brillanti. Ma invece di riflettere la luce solare sulla superficie terrestre, il materiale la rimbalzava nello spazio, attenuando l’intensità di eventuali strisce. SpaceX ha affermato che condividerà i rivestimenti con altri produttori di satelliti.

Durante le cruciali ore del crepuscolo, quando si verificano molte osservazioni astronomiche, SpaceX ha anche iniziato a far ruotare i suoi satelliti per puntare i pannelli solari lontano dalla Terra. Per compensare la perdita di energia solare, ha ingrandito i pannelli solari dei satelliti, una spesa aggiuntiva.

«Da parte di SpaceX, hanno subito veri colpi per cercare di accontentarci», ha detto il dottor McDowell.

I primi dati indicano che gli interventi potrebbero funzionare. In uno studio che deve ancora essere sottoposto alla peer review, gli astronomi hanno riferito che i nuovi satelliti Starlink apparivano più scuri a causa della ridotta riflessione della luce solare sulla superficie.

Questo lavoro di SpaceX è avvenuto mentre si coordinava con la National Science Foundation su base volontaria, ha affermato Ashley VanderLey, consulente senior della stessa.

Sebbene il governo degli Stati Uniti richieda da tempo agli operatori satellitari di coordinarsi con gli operatori dei radiotelescopi sulla condivisione della larghezza di banda, nessuna norma federale ha protetto gli astronomi ottici. Ma le regole che hanno aiutato i radioastronomi hanno fornito agli astronomi ottici una base per discutere con aziende come SpaceX e Amazon.

«È qui che abbiamo iniziato a coordinarci», ha detto il dottor VanderLey.

Quelle che erano state conversazioni volontarie sono diventate obbligatorie nel dicembre 2022, ha affermato il dottor VanderLey, quando la Federal Communications Commission ha richiesto formalmente una serie di misure da parte di SpaceX. Sebbene molti dei requisiti si concentrino sulla sicurezza delle operazioni in orbita, l’agenzia ha anche affermato che SpaceX deve coordinarsi con la NSF per “mitigare l’impatto dei suoi satelliti sull’astronomia ottica terrestre”.

Misure simili erano necessarie per Kuiper di Amazon. Un portavoce del Progetto Kuiper, Tim Kilbride, ha affermato di essersi consultato con la NSF, oltre alle consultazioni con l’Unione Astronomica Internazionale.

Quindi, su richiesta di SpaceX, la FCC ha esteso i requisiti ad alcune altre società satellitari nell’agosto 2023. La FCC ha anche inasprito i requisiti di mitigazione dei detriti per la mega-costellazione di SpaceX, a cui la società ha risposto chiedendo ai regolatori di trasmettere le misure più rigorose per “qualsiasi costellazione di 25 o più satelliti”.

Il dottor VanderLey ha descritto i negoziati in corso tra la NSF e SpaceX come produttivi e come l’unico modo per avere successo. Ma man mano che gli astronomi dialogano con gli operatori satellitari su queste regole, si potrebbe raggiungere un punto in cui il tentativo di ridurre l’impatto dei satelliti non funzionerà più, dicono gli esperti.

Attualmente, i satelliti rappresentano un fastidio – quello che il dottor Rawls ha definito “un parabrezza di insetti” – piuttosto che una vera minaccia per la scienza. Ma cosa succede quando il numero di satelliti raggiunge le centinaia di migliaia o più, come prevedono alcune previsioni, con altre società e Cina, Russia e paesi europei che si uniscono alla mischia orbitale?

«È bello parlare di mitigazioni», ha detto il dottor McDowell, «ma arriva un punto in cui nulla aiuta veramente, quindi penso che sia necessaria una restrizione sul numero di satelliti a lungo termine.»