Podczas publicznego spotkania w ramach dekadalnego badania dotyczącego astronomii i astrofizyki (Astro2020) Elon Musk wygłosił prezentację na temat wysiłków SpaceX dążących do zmniejszenia jasności satelitów Starlink na nocnym niebie.

SpaceX wynosi na orbitę satelity Starlink, aby zapewnić dostęp do szybkiego Internetu szerokopasmowego o niskich opóźnieniach na całym świecie, szczególnie w miejscach, gdzie tradycyjne połączenie z Internetem jest zbyt drogie, zawodne, lub całkowicie niedostępne. Firma ma jednak również mocne przekonanie, że ważne jest zachowanie naturalnego nocnego nieba dla wszystkich, dlatego też wraz z astronomami z całego świata pracuje ona nad zrozumieniem specyfiki obserwacji i wypracowaniem zmian, które można wprowadzić, aby zredukować jasność satelitów.

W tej kwestii SpaceX ma dwa główne cele:

• Sprawienie, żeby satelity były niewidoczne gołym okiem w ciągu tygodnia od startu. Ma to zostać osiągnięte poprzez zmianę orientacji satelitów podczas podnoszenia orbity, tak, aby były skierowane krawędzią w kierunku Słońca. Firma już pracuje nad implementacją tej zmiany we wszystkich istniejących satelitach, jako że wymaga to wyłącznie modyfikacji oprogramowania.
• Minimalizację wpływu konstelacji Starlink na astronomię poprzez zmniejszenie jasności satelitów, aby nie powodowały one wysycenia detektorów w obserwatoriach. Ma to zostać osiągnięte poprzez zamontowanie w satelitach rozkładanej osłony, mającej blokować światło słoneczne tak, żeby nie odbijało się ono od najjaśniejszych elementów satelity. Pierwszy egzemplarz ma zostać wystrzelony już podczas najbliższej misji, Starlink-8, natomiast od kolejnego startu, Starlink-9, wszystkie satelity mają być wyposażone w osłony przeciwsłoneczne. Dodatkowo SpaceX publikuje informacje na temat orbit satelitów, aby astronomowie mogli to uwzględnić w harmonogramach obserwacji. Firma jest także zainteresowana opiniami i komentarzami na temat tego, jak można poprawić użyteczność tych informacji.

Aby móc lepiej zrozumieć szczegóły wysiłków dążących do redukcji jasności, SpaceX chciało dokładniej wyjaśnić, jak działają satelity Starlink

Orbity

Satelita Starlink może znajdować się w jednej z trzech faz lotu: podczas podnoszenia orbity, na orbicie parkingowej (380 km nad Ziemią) lub na pozycji docelowej (550 km nad Ziemią). W trakcie podnoszenia orbity satelity uruchamiają swoje silniki, aby w ciągu kilku tygodni zwiększyć swoją wysokość nad Ziemią. Niektóre z nich trafiają bezpośrednio na docelową pozycję, inne przerywają wznoszenie na orbicie parkingowej, aby dzięki zjawisku precesji dotrzeć na inną płaszczyznę orbitalną. Kiedy satelita dotrze na finalną orbitę, kieruje on anteny w stronę Ziemi, natomiast panele słoneczne ustawiane są pionowo, aby mogły obracać się w kierunku Słońca i maksymalizować ilość wytwarzanej energii. Po wykonaniu tego manewru satelity stają się znacznie ciemniejsze, ponieważ widoczność paneli słonecznych z Ziemi zdecydowanie maleje.

Obecnie około połowa z ponad 400 satelitów jest na docelowej orbicie, reszta podnosi orbitę lub znajduje się na orbicie parkingowej. Generalnie satelity spędzają tylko niewielką część czasu na podnoszeniu orbity lub na orbicie parkingowej. Nawet kiedy konstelacja będzie się rozrastać, tylko ok. 300 satelitów jednocześnie będzie w jednej z tych faz. Znacząca większość życia satelity to przebywanie na pozycji docelowej.

Projekt satelity Starlink

Projekt satelitów Starlink tworzony był z myślą, że będą one pracować na bardzo niewielkiej wysokości w porównaniu do innych satelitów komunikacyjnych. Takie podejście priorytetyzuje bezpieczeństwo transportu kosmicznego oraz minimalizuje opóźnienia sygnału pomiędzy satelitami a użytkownikami korzystającymi z usług. Ze względu na małą wysokość opory pochodzące od atmosfery są głównym elementem wpływającym na projekt. Podczas podnoszenia orbity przekrój poprzeczny w stosunku do „wiatru” musi być jak najmniejszy, w innym przypadku wysokość będzie się szybko zmniejszać. Wysokie opory są mieczem obosiecznym – z jednej strony operowanie satelitami jest trudniejsze, z drugiej w przypadku jakiejkolwiek awarii satelita szybko deorbituje i bezpiecznie spala się w atmosferze. Zmniejsza to ilość śmieci kosmicznych na orbicie.

Konfiguracja satelity nastawiona na niskie opory i uruchomienie silników przypomina otwartą książkę (ang. open book), gdzie panele słoneczne „położone są” przed pojazdem. W trakcie podnoszenia orbity satelity obracają się także w niewielkim stopniu wzdłuż wektora prędkości w celu optymalizacji produkcji energii, zawsze jednak utrzymując jak najmniejszy przekrój poprzeczny oraz anteny skierowane przynajmniej częściowo w kierunku Ziemi, aby zachowywać kontakt ze stacjami naziemnymi.

Po dotarciu na docelową orbitę na wysokości 550 km opory dalej mają znaczenie, więc nieaktywny satelita szybko deorbituje, lecz działający satelita jest w stanie pokonać opory za pomocą systemów utrzymywania położenia, nawet z panelami słonecznymi ustawionymi powyżej satelity, w konfiguracji, którą SpaceX nazywa „płetwą rekina” (ang. shark-fin). W tej orientacji satelita spędza większość swojego okresu operacyjnego.

Widoczność satelitów

Satelity są widoczne z Ziemi w okolicach wschodu lub zachodu Słońca. Dzieje się tak, ponieważ satelity są podświetlane przez Słońce, ale ludzie i teleskopy na Ziemi znajdują się w ciemności. Takie warunki występują tylko przez część 90-minutowej orbity satelitów.

Ten prosty diagram wyjaśnia, dlaczego satelity podczas podnoszenia orbity są dużo jaśniejsze od satelitów na pozycji docelowej. Kiedy satelita jest w konfiguracji „otwartej książki”, światło słoneczne może odbijać się w kierunku Ziemi zarówno od paneli słonecznych, jak i samego satelity. Na orbicie docelowej tylko niektóre elementy platformy satelitarnej odbijają światło w stronę powierzchni.

Fizyka jasności satelitów

Jasność pozorna to wielkość określająca jasność gwiazdy lub innego obiektu na niebie obserwowaną z Ziemi. Jest ona podawana w odwrotnej skali logarytmicznej, zwanej magnitudo (mag). Większe liczby oznaczają ciemniejsze obiekty. Gwiazda o magnitudo 3 jest ok. 2,5 raza jaśniejsza od gwiazdy o magnitudo 4. W oparciu o obserwacje przeprowadzane przez SpaceX oraz członków społeczności astronomicznej stwierdzono, że obecnie satelity Starlink mają jasność ok. 5,5 mag na orbicie docelowej, natomiast podczas pozostałych faz są jaśniejsze. Obiekty o jasności nawet do 6,5–7 magnitudo mogą być widoczne gołym okiem, chociaż w większości zaludnionych obszarów granica widoczności znajduje się bliżej 4 mag. Celem jest, aby satelity Starlink miały jasność 7 mag lub mniejszą podczas prawie każdej fazy misji.

Odbicia od satelitów Starlink dzielą się na dwa typy – rozproszone oraz lustrzane. Pierwsze z nich występuje, kiedy światło rozpraszane jest w różnych kierunkach (jak np. latarka oświetlająca białą ścianę). Odbicia lustrzane występują, kiedy światło odbijane jest w jednym konkretnym kierunku (jak np. odbicie Słońca w lustrze). Odbicia rozproszone mają największy wkład w obserwowaną z powierzchni jasność, ponieważ odbijają one światło we wszystkich kierunkach. Światło pochodzące z tych odbić można dostrzec tak długo, jak satelita oświetlany przez Słońce znajduje się w polu widzenia i przy wielu satelitach powoduje ono efekt „sznura pereł” na niebie. Jest to nieco sprzeczne z intuicją, ale błyszczące elementy satelitów są znacznie mniejszym problemem. Niezależnie od rodzaju, wysoki współczynnik odbicia pozwala satelitom utrzymać niską temperaturę w kosmosie. Kiedy światło słoneczne trafia w część odbijającą je jak lustro, jego znacząca większość kierowana jest w jedną stronę, najczęściej w otwartą przestrzeń. Od czasu do czasu, kiedy światło trafia na Ziemię, przez sekundę lub nawet krócej widoczna jest flara. W zasadzie lustrzane elementy są najciemniejszą częścią satelity, jeśli tylko znajdujemy się poza określonym niewielkim obszarem w przestrzeni.

Największy wpływ na dużą jasność satelitów Starlink mają białe anteny w dolnej części satelitów, anteny paraboliczne z boku (niewidoczne na schemacie poniżej) oraz tylna część paneli słonecznych. Elementy te są białe, aby utrzymywać niską temperaturę i nie przegrzewać komponentów. Kluczem do redukcji jasności jest powstrzymanie światła przed odbijaniem się od tych białych powierzchni w kierunku Ziemi. Podczas podnoszenia orbity oraz na orbicie parkingowej panele słoneczne stanowią większość widocznej powierzchni, jednakże po dotarciu na pozycję docelową to anteny dominują, ponieważ rozpraszająca część paneli słonecznych znajduje się w cieniu.

Rozwiązania w przygotowaniu

SpaceX podeszło do zmniejszenia jasności w sposób eksperymentalny i iteracyjny. Jasność na orbicie jest bardzo trudnym problemem przy podejściu analitycznym, skupiono się więc w szczególności na testach, zarówno na Ziemi jak i na orbicie.

Na przykład w styczniu na orbitę trafił eksperymentalny satelita, tzw. DarkSat, w którym przyciemniono anteny, aby zmniejszyć jasność na docelowej orbicie. Zmniejszyła się ona o około 55%, co zweryfikowano poprzez obserwacje porównawcze z innymi pobliskimi satelitami Starlink. Jest to niemal wystarczające, aby w operacyjnej pozycji satelita był niewidoczny gołym okiem, jednakże czarne powierzchnie nagrzewają się w kosmosie i odbijają część światła (w tym w podczerwieni), więc postanowiono skupić się na rozwoju osłony przeciwsłonecznej. Pozwoli to na uniknięcie problemów termicznych i powinno znacznie bardziej przyciemnić satelitę, ze względu na blokowanie całego światła słonecznego przed dotarciem do jasnych anten.

Manewr obracania satelity

Jako że osłony mają zmniejszyć jasność na orbicie docelowej, nie zakrywają one tylnej części paneli słonecznych, nie wpłyną więc na jasność podczas podnoszenia orbity. Dlatego też SpaceX pracuje nad zmianą procedur pracy satelity także w tej fazie, od separacji od rakiety do dotarcia na docelową pozycję.

Obecnie testowane jest obracanie satelitów tak, aby wektor padania promieni słonecznych znajdował się w płaszczyźnie satelity, czyli żeby satelita był skierowany krawędzią do Słońca. Powinno to zmniejszyć ilość światła odbijanego w kierunku Ziemi poprzez redukcję powierzchni otrzymującej światło. Jest to możliwe w pierwszych fazach misji, ponieważ anteny nie muszą być skierowane tak, aby udostępniać usługi dostępu do Internetu. Są jednak niuanse sprawiające, że implementacja takiego rozwiązania jest dość skomplikowana. Po pierwsze, odwracanie satelity od Słońca zmniejsza ilość dostępnej energii. Po drugie, jako że anteny nie zawsze będą skierowane w stronę Ziemi, zmniejsza to czas możliwego kontaktu z satelitami. Po trzecie, kamery do śledzenia gwiazd znajdują się w bocznej części platformy (jest to jedyne miejsce, gdzie można je zamontować tak, żeby miały odpowiednie pole widzenia). Obrót krawędzią do Słońca może skierować jedną z kamer w stronę Ziemi, a drugą prosto w Słońce, co może utrudnić orientację satelity w przestrzeni.

Z powodu wyżej wymienionych ograniczeń wystąpi niewielki procent przypadków, kiedy satelity nie będą mogły całkowicie obrócić się krawędzią do Słońca. Może to powodować, że niektóre z satelitów będą chwilowo widoczne na fragmencie swojej orbity podczas wstępnych faz misji.

Jasność na orbicie docelowej

Satelity spędzają większość czasu na orbicie docelowej, gdzie zawsze będą w konfiguracji „płetwy rekina” podczas widocznych przelotów. SpaceX może dostosowywać pozycję paneli słonecznych w tej konfiguracji, tak, aby odbijały światło z dala od Ziemi oraz aby częściowo schować je za resztą satelity. Pozostaje jeszcze zablokowanie bezpośredniego dostępu światła słonecznego do jasnych anten.

Wykorzystując niską orbitę oraz płaską strukturę satelity, zaprojektowano rozkładaną osłonę przeciwsłoneczną przeźroczystą dla częstotliwości radiowych, mającą blokować światło przed docieraniem do większości satelity, w tym elementów rozpraszających. Satelity z osłoną nazywane są VisorSat. Podczas startu osłona ma być złożona w płaskiej konfiguracji, będzie się otwierać po separacji od rakiety Falcon 9. Osłona ma całkowicie uniemożliwiać oświetlanie anten i w efekcie odbijanie od nich światła w kierunku powierzchni. Nie tylko pozwala to uniknąć problemów z temperaturą anten powodowanych przez ich przyciemnianie, ale także powinno mieć dużo większy wpływ na redukcję jasności. Pierwszy prototypowy VisorSat zostanie wystrzelony podczas najbliższej misji, w maju, od czerwca natomiast wszystkie satelity będą wyposażone w osłony.

SpaceX pracowało nad tym rozwiązaniem razem z wiodącymi grupami astronomicznymi, w szczególności z Amerykańskim Towarzystwem Astronomicznym (ang. AAS – American Astronomical Society) oraz Obserwatorium im. Very Rubin, aby lepiej zrozumieć metody i instrumenty stosowane przez społeczność astronomiczną. Razem z AAS firma poprawiła swoje zrozumienie działań społeczności poprzez regularne rozmowy z dedykowanymi grupami astronomów, podczas których dyskutowano o szczegółach technicznych, informowano o postępach i rozmawiano o tym, jak można chronić obserwacje astronomiczne w przyszłości. Wpis na temat części z tych sesji jest dostępny pod tym linkiem, jedna ze szczególnie wartościowych prezentacji jednego z członków grup jest natomiast dostępna pod tym linkiem.

Zrozumienie społeczności jest ważne, jednakże problemy inżynierskie są trudne do rozwiązania bez znajomości szczegółów. Przypadek Obserwatorium im. Very Rubin był wielokrotnie przedstawiany jako najtrudniejszy do rozwiązania, więc przez kilka ostatnich miesięcy SpaceX współpracowało bardzo blisko z technicznym zespołem z obserwatorium. Oprócz różnych istotnych pomysłów i dyskusji, zespół przedstawił poziom redukcji jasności, do którego należy dążyć, czym inżynierowie SpaceX kierowali się podczas prac nad kolejnymi iteracjami rozwiązania.

Oprócz technicznych i społecznościowych dyskusji, cały czas trwają prace nad tym, aby astronomom łatwiej było „unikać” satelitów. Trajektorie satelitów Starlink publikowane są na stronach Space-track.org oraz celestrak.com, wykorzystywanych przez wielu astronomów do dobierania czasów obserwacji tak, aby uniknąć przelotów satelitów. Na prośbę astronomów rozpoczęto także publikację przewidywanych parametrów orbitalnych przed startem. Pozwalają one na ustalenie harmonogramów obserwacji w ciągu kilku godzin po starcie, kiedy satelity stabilizują swoją orientację i dołączają do konstelacji.

Obserwatorium im. Very Rubin jest opisywane jako przypadek graniczny dla konstelacji Starlink, ze względu na ogromną aperturę i szerokie pole widzenia. Te dwie charakterystyki połączone ze sobą powodują ogromne problemy w przypadku konstelacji. Większość systemów astronomicznych obserwuje bardzo małe sekcje nieba (poniżej jednego stopnia), co sprawia, że uchwycenie satelity na zdjęciach jest niezwykle mało prawdopodobne. Z drugiej strony, systemy o szerokim polu widzenia zazwyczaj nie są bardzo czułe, co oznacza, że nawet jeśli złapią one smugi pochodzące od satelitów, będą miały one niewielki wpływ na ogół danych. Dlatego też SpaceX pracowało tak blisko z zespołem w Obserwatorium im. Rubin. Pomimo dużego pola widzenia jego instrumenty są w stanie uchwycić nawet podświetloną przez Słońce piłkę golfową umieszczoną na wysokości orbity Księżyca.

Co więc można zrobić, aby zredukować wpływ na te brzegowe przypadki?

Minimalizacja wpływu na astronomię

Ogromna powierzchnia zbierająca dużych teleskopów, takich jak w Obserwatorium im. Very Rubin, sprawia, że ich czułość pozwala na wykrycie nawet najciemniejszego satelity. Są one tak czułe, że nie jest możliwe zbudowanie satelity nie produkującego smug przy długich obserwacjach. Można zrobić jednak wiele, aby zredukować ich wpływ, co należy rozpocząć od zrozumienia, jak działają detektory astronomiczne.

Społeczność astronomów zrobiła bardzo wiele, aby SpaceX zrozumiało dobrze techniki obrazowania. Systemy optyczne wykorzystują zwierciadła lub soczewki, aby skupić światło na detektorze. Większość instrumentów astronomicznych wykorzystuje detektory CCD, ponieważ obiekty, takie jak odległe supernowe czy galaktyki, są w ogólności blisko limitów detektorów. Do takich zastosowań mniejszy szum detektorów CCD pozwala na wyższy stosunek sygnału do szumu dla konkretnego zdjęcia, co ułatwia obrazowanie bardzo słabo widocznych obiektów.

Detektory CCD mają jednak istotną wadę, w porównaniu do innych popularnych sensorów (takich jak CMOS, stosowanych w aparatach smartfonów). Jeżeli skierujemy aparat telefonu na jasne źródło światła, piksele w środku ekranu nasycą się i będą białe, w rejonie źródła. Jeżeli na ten sam obiekt skierujemy sensor CCD, jasny punkt wytworzy na obrazie pionowe paski.

Różnica wynika z tego, jak każdy z typów sensorów odczytuje wartości poszczególnych pikseli. Podczas gdy CMOS zasadniczo posiada wzmacniacz w każdym pikselu, zamieniający ilość zebranego światła w cyfrową wartość, CCD posiada ograniczoną liczbę wzmacniaczy i przemieszcza zebrane światło (w formie elektronów) przez sensor celem digitalizacji. Taki mechanizm powoduje, że nasycony piksel w sensorze CCD często eliminuje dane z całej kolumny pikseli.

Efekt ten, znany powszechnie jako blooming, jest przykładem tego, jak bardzo małe, ale jasne źródło światła może wpłynąć na obserwacje astronomiczne. Ta zasada jest w centrum wysiłków SpaceX dążących do ograniczenia jasności. O ile nie jest możliwe stworzenie satelitów, które będą niewidzialne dla najbardziej zaawansowanych przyrządów optycznych na Ziemi, poprzez redukcję jasności satelitów można sprawić, aby istniejące sposoby radzenia sobie z podobnymi problemami, takie jak nakładanie na siebie wielu klatek, działały zdecydowanie lepiej.

Satelity w przyszłości

Firma SpaceX jest zdecydowana, aby przyszłe projekty satelitów były tak ciemne, jak to możliwe. Kolejna generacja satelitów, której design ma pozwolić na wykorzystanie wyjątkowych możliwości oferowanych przez statek Starship, będzie specjalnie zaprojektowana tak, aby zminimalizować jasność, a jednocześnie zwiększy liczbę klientów, którym będzie oferowany szybki dostęp do Internetu.

SpaceX jest pierwszą firmą, która tworzy konstelację składającą się z tysięcy satelitów i nią zarządza, ale na pewno nie ostatnią. Koszty dotarcia na orbitę będą maleć i w efekcie powstawać będą kolejne konstelacje, których operatorzy także będą musieli zadbać o to, aby właściwości optyczne ich satelitów nie stwarzały problemów dla obserwatorów na Ziemi. Dlatego SpaceX pracuje nad tym, aby tego typu problemy były dla wszystkich łatwiejsze do rozwiązania w przyszłości.

Źródła: SpaceX, Marco Langbroek, ESO