Спроси Итэна: Даже космическое пространство теперь подвержено загрязнению человеком

 Big Think, 29 февраля 2024 года

В 1957 году человечество запустило свой первый спутник; сегодня их число приближается к 10 000, а планируется ещё более 500 000. Космос больше не является первозданным.

Этот снимок, полученный 10 августа 2022 года, представляет собой результат интеграции сделанных в одну ночь фотографий области неба с туманностью Sharpless 150 (SH2-150). Полосы оставлены спутниками, проходящими только через одно это поле зрения за одну ночь.

Credit: Fegato/Cloudy Nights

• С 2019 года количество активных спутников резко возросло с менее чем 2000 до почти 10 000 сейчас, при этом в ближайшие годы планируется запуск более полумиллиона новых спутников. 

• Космическое пространство  - то, что когда-то было последним, нетронутым, ничем не загрязненным убежищем для всего, что оказывало воздействие на планету Земля, - теперь переполнено загрязнениями, и живые существа, включая и нас, людей, теперь сталкиваются с последствиями. 

• Нет, мы не можем просто продолжать делать в космосе то, что традиционно делали на Земле; последствия стратегии "действовать быстро и ломать" будут ощущаться тысячелетиями. 

• Пора действовать, и делать это нужно прямо сейчас.

На протяжении всей истории человечества нам приходилось бороться с необходимостью извлекать ресурсы из окружающей среды — пищу, воду, материалы для инструментов и укрытий и т. д., — одновременно стараясь не загрязнять её настолько, чтобы мы не могли больше там жить: судьба, от которой страдают многие живые организмы. Размеры обществ исторически были ограничены способностью обеспечить достаточно большие запасы пресной воды (до разработки таких технологий, как акведук) и затем способностью удалять отходы, производимые обитателями (до разработки канализации). В более поздние времена нам приходилось беспокоиться о:

• производстве достаточного количества пищи и её распределении там, где находятся люди,

• поддержании чистоты воздуха, которым мы дышим, чтобы избежать отравления наших легких и других органов,

• и поддержании чистоты воды, которую мы пьем, чтобы избежать серьезных заболеваний.

Бесчисленные поколения людей, столкнувшиеся с такими проблемами, всегда могли обратить взгляд в одно место, свободное от загрязнений, вызванных человеческой деятельностью: внешний космос. Начиная с 1957 года, когда был запущен Спутник, ситуация начала медленно меняться, поскольку спутники вскоре стали обыденной частью нашей жизни. Преимущества широкомасштабной телекоммуникации, глобальных систем позиционирования и спутникового интернета ощутили многие по всему миру, даже когда число активных спутников приблизилось к 2000 к 2019 году.

18 ноября 2019 года около 19 спутников Starlink прошли над обсерваторией Серро-Тололо, нарушив астрономические наблюдения и помешав научной работе реальным, измеримым образом. Наиболее сильно пострадали наблюдения, которые должны проводиться в астрономических сумерках, в частности, поиски потенциально опасных астероидов, необходимые для защиты нашей планеты. 2019 стал первым годом, когда начались запуски мегасозвездий спутников на низкую околоземную орбиту.

Credit: Tim Abott/CTIO

Затем, в мае 2019 года, была запущена первая партия Starlink, что стало шагом к созданию первого мегасозведия спутников. Хотя обычно о них думают, как об инфраструктуре, они представляют собой также огромный источник загрязнения. Поскольку количество активных спутников сейчас приближается к 10 000 (с более чем половиной всех активных спутников от Starlink) — и с более чем уже запланированных  500 000 дополнительных спутников — давно пора защитить околоземный космос. Небо принадлежит всем нам, но большинство человечества до сих пор не осознает долгосрочного ущерба, который эти новые партии спутников уже наносят нашему миру.

Наши глаза достаточно чувствительны, чтобы видеть объекты с видимым блеском до шестой звездной величины, что соответствует нескольким тысячам звезд. С 1957 года до начала 2019 года только самые яркие спутники -  такие, как Международная космическая станция или сеть спутников Iridium, были доступны нашим глазам, в то время как другие спутники, как правило, были слишком малы и/или слишком далеко, чтобы мы их видели невооруженным взглядом. На радиочастотах спектр был тщательно защищен, поскольку спутникам необходимо было избегать помех в коммуникациях с важными наземными источниками и приложениями.

На фоне этих правил наземная астрономия процветала, поскольку мы могли смотреть во Вселенную и видеть, что там есть, исследуя огромные пространства космоса и помогая нам лучше понять наше место во Вселенной.

Этот снимок, сделанный на участке неба меньше чем 2 градуса, представляет собой вид за одну ночь, составленный из 300 отдельных 30-секундных изображений во время метеорного дождя Лирид в апреле 2020 года. Группы следов, видимые вместе, относятся к первым партиям спутников Starlink, которые теперь являются основным источником загрязнения спутниками в космосе.

Credit: Spacetime Pictures/Astrobin

Всё это, за менее чем пять лет (на сегодняшний день), теперь переживает самое радикальное преобразование в истории. Сейчас на орбите Земли находятся 9413 активных спутников, из них 8288 находятся на низкой околоземной орбите, где они ближе всего к Земле и кажутся наиболее яркими для наших глаз, особенно ~3 часа перед восходом и после заката. 5235 из них, или 56% всех активных спутников, являются активными спутниками Starlink, принадлежащими и обслуживаемыми одной компанией. Важно отметить, что на низкой околоземной орбите действует важное правило "что поднялось вверх, должно упасть вниз".

Это означает, что в конечном итоге, просто из-за трения с самым верхним, едва удерживаемым слоем атмосферы Земли — экзосферой, орбиты этих спутников будут распадаться, и они будут возвращаться в атмосферу Земли. Когда это произойдет, они сгорят в атмосфере, и это означает, что всё, из чего они состоят, включая все тяжелые элементы и токсичные соединения в них, просто станет дополнительными загрязнителями в нашей биосфере. В то время как метеориты естественным образом добавляют в нашу атмосферу около 500 кг алюминия каждый день, в среднем, один спутник Starlink 2.0 (текущее поколение) весит 1250 кг, большая часть из которых - алюминий. (Примечание: несколько сотен спутников Starlink уже вошли в атмосферу.) Это дополнительное количество алюминия влияет на всех живых существ на Земле следующим образом:

• дополнительное загрязнение облаков,

• изменения в отражательных способностях Земли и свойствах задерживания тепла,

• разрушение молекул озона в стратосфере,

• и нарушение атмосферной циркуляции на различных высотах,

что означает, что мы уже участвуем в глобальном геоинженерном эксперименте, на который никто не подписывался.

Вход в атмосферу спутника, такого как спутник ATV-1, показанный здесь, приведет к тому, что большая часть или даже все составляющие спутника будут рассеяны в различных слоях атмосферы Земли. Чем больше запускается спутников и чем чаще они выводятся из орбиты, тем сильнее будет проявлять себя загрязнение атмосферы.

Credit: NASA

Когда дело доходит до астрономии, многие среди широкой публики воспринимают наземные астрономические обсерватории как реликты 20-го века, устаревшие с появлением космических телескопов. Хотя это в корне неверно по множеству серьезных и убедительных причин, когда астрономы жалуются на то, что эти спутники "фотобомбят" их астрономические объекты, это не значит, что отправка телескопов в космос сделает их невосприимчивыми к этим эффектам.

Недавнее исследование (2023 года) проанализировало 20-летние данные Космического телескопа Хаббл на предмет помех от спутников и обнаружило, что:

- 2,7% всех изображений с временем экспозиции всего в 11 минут содержали полосы,

- частота изображений с полосами увеличивалась со временем,

- в том числе резкий рост начиная с 2020 года,

- и с увеличением числа спутников эта проблема будет только усугубляться.

Более того, некоторые из самых передовых научных исследований включают в себя то, что астрономы называют временными событиями: когда объекты быстро становятся ярче или тускнеют, многие из которых представляют энергичные и новые взрывы и катастрофы в нашей Вселенной. Весь этот класс астрономии, более широко известный как астрономия временного домена, уже кардинально затронут этими спутниками.

Яркие полосы, видимые на изображениях здесь, происходят от следов спутников, которые "фотобомбили" сам Космический телескоп Хаббл. На последнем изображении, в нижнем правом углу, видны две полосы от двух разных спутников. Хаббл, в частности, сам является спутником, и недавние исследования доказывают, что перемещение телескопов в космос не решает проблему загрязнения космического пространства для астрономов.

Credit: S.Kruk et al. Nature Astronomy, 2023

Возьмем, к примеру, одну из 10 самых далеких галактик, известных человечеству: GN-z11. Эту галактику открыл Космический телескоп Хаббл в 2015 году, и она была рекордсменом по космическому расстоянию до конца 2022 года, когда коллаборация JADES, используя данные JWST, объявила о первой подтвержденной галактике, расстояние до которой оказалось больше. В 2020 году астрономы сообщили о яркой вспышке ультрафиолетового света, исходящей именно от этой галактики, наблюдая за ней с помощью телескопа Кек и его инструмента MOSFIRE: предполагалось, что это транзиентное событие, что привело к интригующей возможности, что в самой далекой на тот момент известной галактике только что произошел гамма-всплеск или, возможно, даже сверхновая, связанная с первым поколением звезд.

Любое из этих объяснений было бы революционным, поскольку природа гамма-всплесков с длительным периодом остается неясной, и ни одна звезда первого поколения никогда не наблюдалась, тем более катастрофическая кончина такой звезды. Но этого не случилось. Вместо этого вероятной причиной стала верхняя ступень ракеты "Протон", запущенной в 2015 году, которая пересекла поле зрения телескопа Кек в решающий момент, находясь от Земли на расстоянии 13 758 километров и светясь прямыми солнечными лучами. Помехи от спутников не только сбивают с толку наши наблюдения, но и тратят время, усилия и деньги экспертов, налогоплательщиков и научного сообщества.

Этот график показывает временной масштаб (по оси x) и яркость (по оси y) различных транзиентных астрофизических явлений, происходящих во Вселенной. Хотя астрономы прилагают большие усилия для изучения этих явлений на как можно более коротких временных интервалах, помехи от спутников, включая отражения от отслеживаемых и неотслеживаемых космических обломков, могут искажать любые из этих сигналов, происходящих на временных интервалах в 1 день или меньше.

Credit: Jeff Cooke/Swinburne University of Technology

Есть устоявшееся представление, что космос является первозданной, нетронутой средой, и как только вы покидаете пределы Земли, перед вами простирается огромная бездна пустоты, которую вы пересекаете, направляясь к вашему пункту назначения. Но по ряду причин это уже не так.

Во-первых, помимо почти 10 000 активных спутников, вращающихся вокруг Земли, существуют также сотни тысяч космических обломков, варьирующихся от крупных частей (таких как ступени ракет) до мелких кусочков бывших спутников, которые, к сожалению, либо вышли из строя, либо взорвались, или (что ещё хуже) столкнулись друг с другом.

Чем больше спутников мы отправляем в космос, тем рискованнее становится каждый запуск, включая запуски на Луну или в точку Лагранжа L2, поскольку нет возможности отправиться в глубокий космос, не пройдя через низкую околоземную орбиту. Недавние исследования показали, что примерно раз в минуту активные спутники и/или крупные космические обломки на низкой околоземной орбите проходят на расстоянии всего 1 или 2 километра друг от друга, с типичными скоростями встречи между этими объектами достигающими 15 км/с. Столкновение с крупным космическим обломком было бы катастрофическим для любой космической миссии, и с увеличением количества объектов на орбите риск цепной реакции столкновений после первого удара — кошмарный сценарий, известный как синдром Кесслера — только возрастает и может стать неизбежным при следующем крупном солнечном шторме.

Этот снимок с сервиса отслеживания сближений показывает сближения примерно 20 000 отслеживаемых спутников и крупных космических обломков, - все это менее 4% от ожидаемого количества спутников, которые будут находиться на низкой околоземной орбите в течение следующего десятилетия. Обратите внимание, что примерно раз в минуту два спутника проходят на расстоянии ~2 километра друг от друга, при этом многие спутники сближаются еще больше. По мере увеличения количества спутников растет не только риск столкновения, но и опасность того, что такое столкновение может спровоцировать неконтролируемую цепную реакцию столкновений.

Credit: Conjunction Streaming Service Demo

Радиоволновая часть электромагнитного спектра, используемая для всего, начиная от вещания и заканчивая военными связями, радиоастрономией и поиском сигналов, исходящих от внеземных цивилизаций, особенно серьезно пострадала от нового поколения интернет-спутников с высокой скоростью и низкой задержкой сигнала. Существует множество радиочастот, на которых можно проводить наблюдения или мониторинг, и помехи являются серьезной проблемой, поэтому радиодиапазоны так тщательно регулируются.

Однако сильный сигнал, исходящий из одной конкретной полосы радиочастот, может серьезно повлиять на соседние полосы, так как:

• сигналы, особенно сильные сигналы, будут переходить на близлежащие полосы, даже если сигнал хорошо сколлимирован по частоте,

• детекторы в соседних полосах, даже если сигнал остается только в своем собственном диапазоне частот, будут улавливать эти сигналы, если они достаточно сильные.

Например, рассмотрим это радиоизображение, полученное доктором Иветтой Сендес, специализирующейся на смерти звезд, которая работает с VLA (Very Large Array), ведущей сетью радиотелескопов в Северной Америке.

Это изображение показывает результаты наблюдения, полученные с помощью VLA (Very Large Array), за звездой, разрывающейся в событии приливного разрушения из-за ее встречи с черной дырой. На частотах (в С-диапазоне), на которых было получено это изображение, небо выглядит чистым и нетронутым, без помех от радиосигналов.

Credit: Yvette Cendes/VLA

На приведенном выше изображении в центре поля виден удивительный объект: это звезда, которая активно разрывается черной дырой, - астрономы еще называют это событие приливным разрушением. Это изображение, сделанное в диапазоне частот, который радиоастрономы называют С-диапазоном, четко показывает источник и даст данные, по которым легко увидеть их изменения со временем по мере развития катастрофы. Такие изображения дорогостоящи в плане времени телескопа, требуя минуты времени телескопа только для разрешения источника.

В идеале, однако, астрономы наблюдают в нескольких частотных диапазонах с выделенным им временем телескопа, поскольку разные частоты раскрывают разные аспекты наблюдаемых объектов. Теперь сравните изображение выше с изображением ниже, которое было сделано в 2023 году в ту же ночь, тем же астрономом, в том же регионе неба, только на более высоких частотах: в X-диапазоне. Как даже поверхностный визуальный осмотр скажет вам, здесь нет полезных данных: наблюдения переполнены шумом. И практически 100% этого шума вызваны, как вы уже догадались, роем спутников (в частности)  Starlink, вращающихся вокруг Земли.

На этом изображении показано то же событие, что и на предыдущем изображении, в ту же самую ночь, сделанное с помощью того же инструмента, но в соседнем частотном диапазоне: X-диапазоне. В этом случае частотный диапазон перекрывается с теми, которые передаются спутниками Starlink, и переполнен шумом. Словами ученого, собравшего данные, изображение определенно непригодно для науки.

Credit: Yvette Cendes/VLA

Проблема, конечно же, затрагивает не только радио- и оптическую астрономию, но и все другие диапазоны и формы астрономии, включая инфракрасное, ультрафиолетовое излучение и любые другие длины волн, испускаемые Солнцем и отражаемые этими спутниками, или просто испускаемые самими спутниками напрямую. "Полосы", появляющиеся на изображениях, не просто портят красивые картинки, которые астрономы показывают широкой публике, но и скрывают все самое интересное, что происходит за ними:

- звезды,

- черные дыры,

- пульсары,

- магнитары,

- далекие планеты,

- и многое другое.

Когда мы видим сверхновую или любое другое быстро развивающееся событие, ключевое значение имеет время: на объект необходимо быстро направить подходящие телескопы. С тысячами спутников, с которыми приходится считаться, это уже большая проблема; с появлением сотен тысяч других, мы можем даже не получить ни одного испорченного вида с существующими технологиями.

Еще хуже обстоит дело для рентгеновской и гамма-астрономии, где каждый отдельный фотон содержит значимые данные. Отсутствие обнаружений также значимо для этих сфер астрономии. Когда спутник или кусок (не отслеживаемого) космического мусора блестит на солнце, он будет появляться как источник высокой энергии, как это было в 2020 году для GN-z11. В обозримом будущем нет способов решения этой проблемы, и она будет только усугубляться со временем и с запуском большего количества спутников на орбиту.

Изображение следа от спутника показывает, насколько яркими и насыщенными могут быть эти события для детекторов, способные влиять на наблюдения, полученные космическими телескопами, такими как Хаббл. Хотя спутники чаще всего появляются в виде единичных полос, обращение их вокруг своей оси иногда может проявляться в виде пунктирных следов особенно в ультрафиолетовой и видимой части спектра.

Credit: NASA/STScI

Одной из больших проблем, связанных с научной этикой, является не только вопрос, где или как что-то исследовать, но также понимание того, когда что-то нужно оставить нетронутым. Например, нам нужно быть очень осторожными, чтобы при поиске жизни на Марсе не использовать инструменты, загрязнённые земной органикой, иначе мы рискуем получить ложный положительный сигнал, что, вероятно, уже происходило в прошлом. Без преувеличения, новая эра спутниковых мегасозвездий грозит не только окончанием астрономии в её нынешнем виде, но также и фундаментальным преобразованием ночного неба Земли и окружающего нашу планету пространства не в лучшую сторону.

Действительно плохо во всём этом то, насколько это не нужно. Нам не нужны сотни тысяч спутников на низкой околоземной орбите для обеспечения высокоскоростного интернета для всех на Земле; вместо этого мы могли бы:

• разместить спутники в 10 (или 100) раз дальше,

• где каждый из них будет охватывать гораздо большую площадь поверхности Земли,

• сделать их больше и мощнее, чтобы компенсировать увеличенный сигнал,

• и для этого нам понадобится только 1/100 (или 1/10 000) от текущего количества спутников,

при этом обслуживая то же количество клиентов и тот же объем данных. Этот план является причиной, по которой у нас есть только 24 спутника GPS, с которыми мы успешно обеспечиваем GPS для всей планеты. Единственной жертвой является небольшое количество задержки: 40 миллисекунд для массива спутников на высоте 6000 км, в отличие от 4 миллисекунд для массива в 100 раз больше спутников на высоте 600 км.

Как страстно выразила это профессор Саманта Лоулер:

"Попросите ваших государственных представителей поддержать регулирование спутников и расширения сельского широкополосного доступа. Выходите и наслаждайтесь вашим темным небом, пока оно не изменилось. С надлежащим регулированием, наша самая старая форма исследования космоса может продолжаться. Я отчаянно надеюсь, что мы никогда не достигнем точки, когда естественные узоры в небе будут заглушены антропогенными факторами, но без государственного регулирования корпорации скоро доведут нас до этого."