Grace Halferty, en senior som tar examen i sommar med en kandidatexamen i rymd- och maskinteknik och tidningens huvudförfattare, med instrumentforskarna byggda för att mäta ljusstyrkan och positionen för SpaceX Starlink-satelliter. Kredit:Kyle Mittan/University of Arizona
När satelliter kryper över himlen reflekterar de ljuset från solen tillbaka till jorden, särskilt under de första timmarna efter solnedgången och de första timmarna före soluppgången. Allt eftersom fler företag lanserar nätverk av satelliter i låg omloppsbana runt jorden, blir en klar sikt av natthimlen sällsyntare. Astronomer, i synnerhet, försöker hitta sätt att anpassa sig.
Med det i åtanke har ett team av University of Arizona-studenter och fakulteter genomfört en omfattande studie för att spåra och karakterisera ljusstyrkan hos satelliter, med hjälp av en markbaserad sensor som de utvecklat för att mäta satelliternas ljusstyrka, hastighet och vägar genom himlen. Deras arbete skulle kunna vara till hjälp för astronomer, som – om de blir underrättade om inkommande ljusstarka satelliter – kunde stänga slutarna på sina teleskopmonterade kameror för att förhindra att ljusspår försämrar deras astronomiska bilder med lång exponering.
Forskargruppen leddes av professorn i planetvetenskap Vishnu Reddy, som också tillsammans med professorn i system och industriteknik Roberto Furfaro leder universitetets Space Domain Awareness-labb, som spårar och karakteriserar alla typer av objekt som kretsar runt jorden och månen.
Grace Halferty, en senior som tar examen i sommar med en kandidatexamen i rymd- och maskinteknik, är huvudförfattare till studien, som publiceras i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . Studien beskriver hur teamet skapade en satellitspårningsenhet för att mäta ljusstyrkan och positionen för SpaceX Starlink-satelliter och jämförde dessa observationer med statliga satellitspårningsdata från Space Track Catalog-databasen.
"Hittills har de flesta fotometriska - eller ljusstyrka - observationer som var tillgängliga gjorts med blotta ögat," sa Halferty. "Detta är en av de första heltäckande fotometriska studierna där ute som går igenom peer review. Satelliterna är utmanande att spåra med traditionella astronomiska teleskop, eftersom de är så ljusa och snabbrörliga, så vi byggde vad som i grunden är en liten sensor med en kamera linsen själva eftersom det inte fanns något från hyllan tillgängligt."
Teamet gjorde 353 mätningar av 61 satelliter under två år och fann att positionen för Starlink-satelliter som registrerats i regeringens Space Track Catalog endast skilde sig med i genomsnitt 0,3 bågsekunder från UArizona-beräkningarna. En bågesekund på himlen är ungefär lika stor som en krona som hålls 2,5 mil bort. Den lilla skillnaden beror förmodligen på naturliga eftersläpningstider i regeringsdata, sa Reddy. Eftersom dessa data är baserade på uppskattade omloppsbanor beräknade dagar tidigare, snarare än på realtidsobservationer, kan positioneringsfel byggas upp.
"Detta tyder på att det finns hopp om att astronomer kan använda dessa data för att stänga slutaren på sina teleskop i tid mitt i det växande kaoset på himlen ovan," sa Reddy.
En fantastisk trafikstockning
Starlink är ett stort nätverk av satelliter, även kallat en megakonstellation, som drivs av SpaceX med målet att tillhandahålla global internettäckning. SpaceX började skjuta upp Starlink-satelliter 2019. Idag har mer än 2 700 Starlink-satelliter sänts upp – en bråkdel av de avsedda totalt 42 000 satelliterna.
Andra exempel på satellitkonstellationer inkluderar 31 GPS-satelliter och 75 iridiumsatelliter för kommunikation. Andra enheter har planer på att skjuta upp fler satelliter i låg och medelhög omloppsbana om jorden under de närmaste åren. Amazon planerar till exempel att skjuta upp 3 000 satelliter och den kinesiska regeringen planerar att skjuta upp 13 000. Dessa satelliter kommer inte att kretsa mer än 22 000 miles över jorden.
Problemet med satelliter är att de kräver kraft från solpaneler, som kan reflektera solljus vid markbaserade teleskop och i sin tur påverka astronomiska observationer från teleskop runt om i världen. Ungefär 30 % av alla teleskopbilder kommer att påverkas av minst en satellitspår när Starlink-konstellationen är färdig, säger forskargruppsmedlem Tanner Campbell, doktorandforskare vid institutionen för flyg- och rymdteknik.
"När andra konstellationer läggs till kommer problemet bara att bli värre för markbaserade astronomiska undersökningar", sa han.
Dessa satelliter är ännu mer reflekterande direkt efter uppskjutning, medan de fortfarande är relativt låga och tätt samlade innan de sprider sig över sin omloppsbana över tiden. De är ofta lika ljusa som Saturnus eller Jupiter, två av de ljusaste föremålen på natthimlen. När de manövrerar in i högre banor blir de något svagare.
Ett rörligt mål
SpaceX har implementerat några olika metoder för att mörka sina Starlink-satelliter. VisorSat-satelliter förlitar sig till exempel på en skärm för att blockera extra solljus, vilket gör dem 1,6 gånger svagare. DarkSat-satelliter, å andra sidan, förlitar sig på en antireflekterande beläggning som gör dem 4,8 gånger svagare. DarkSats blev dock för hett, så SpaceX gick bort från den specifika metoden. Sedan augusti 2021 är alla Starlink-satelliter VisorSats.
"Även om dessa modifieringar är steg i rätt riktning, dämpar de inte heller satelliterna tillräckligt för astronomiska undersökningar", säger forskarteammedlemmen Adam Battle, en doktorand som studerar planetvetenskap.
I juli tillkännagav SpaceX nya strategier. En handlar om speglar som reflekterar solljus bort från jorden och en annan handlar om att använda mörkare byggmaterial. Reddys team planerar att studera hur effektiva dessa metoder är för att minska solljusreflektion tillbaka till jorden.
Även om det är till hjälp för astronomer att veta exakt var satelliter finns, ökar handlingen att stänga kamerorna extra kostnader för teleskopoperationer. Undersökningar blir mindre effektiva när astronomer måste stänga slutaren eller kasta förorenade bilder. Till exempel kan en undersökning som skulle ta fem år att slutföra ta 10 % till 20 % längre tid om undersökningens effektivitet minskar. Kostnaderna kommer att fortsätta att öka när fler satelliter skjuts upp, sa Reddy.
Teamet planerar att bygga vidare på sin framgång genom att studera ljusstyrkan hos den senaste generationen Starlink-satelliter i fyra olika färgade filter - samma som används i astronomiska undersökningar av himlen för att reta ut olika information från stjärnor, planeter och mer. För att uppnå detta har teamet arbetat med Tucson-baserade småföretaget Starizona för att bygga en sensor som kan ta bilder av satelliter i fyra färger samtidigt.
"Att arbeta med lokala småföretag är en vinst för oss eftersom det ger våra studenter en möjlighet att snabbt prototyper och ta med ett nytt system online," sa Reddy. + Utforska vidare
