作者：鹿 瑶 单位：中国科学院紫金山天文台
曾几何时，静谧的星空一直保持着它古老的样子，安详而宁静。但随着人类进入航天时代，夜空中多了许多急匆匆的人造天体，从曾经大名鼎鼎的“铱闪”，到明亮的国际空间站过境，再到最近C位出道顺利出圈的——埃隆·马斯克的“星链”，它们的出现打破了夜空的宁静，也给在地面仰望星空的天文学家们带来了不尽的烦恼。
（原文是动图）starlink一箭60星的实测图像 | 图源：中科院空间目标与碎片观测研究中心
“铱闪铱闪”亮晶晶
“铱闪”其实就是铱星的闪光，是第一代铱星所特有的。从1997年到2002年，美国铱星公司共发射了95颗用于手机全球通讯的一代铱星。这些铱星上配有门板大小的金属天线面板，在特殊角度下会反射太阳光到地面，在夜空中形成闪光，每次通常持续几秒钟，这就是“铱闪”。
“铱闪”延时图像 ￨ 图源：紫金山天文台
通过铱星的姿态和轨道可以计算得到某地“铱闪”出现的时间和方向，有些专门的网站（如：https://www.heavens-above.com/）据此提供“铱闪”预报，供天文爱好者观测。
不过，随着2019年12月最后一颗一代铱星的离轨，“铱闪”也成了历史。就在同一年，更壮观的“星链小火车”缓缓进站了。
第一代铱星 ￨图源：wiki
星链小火车
星链是SpaceX公司制造、发射并运营的低轨道卫星星座，其主要用途是为偏远地区或移动车船等地面网络难以覆盖的客户提供互联网接入服务，目前已经在部分地区开通。截至2021年4月29日，SpaceX已经发射了超过1500颗星链卫星，并且数量还在源源地不断增加，最终整个星座可能达到上万颗的规模。
虽然在国计民生层面此类低轨通讯星座的发展是大势所趋，但是天文学家却怎么也高兴不起来，原因就是以星链为代表的低轨卫星星座，会给地面光学天文观测带来严重干扰，甚至影响更低轨道上的空间望远镜。
多颗星链卫星经过望远镜视场，留下明亮条纹，对正常天文观测造成干扰 ￨图源：Seitzer, P.
实际上，星链卫星在不同阶段不同观测角度下，亮度是不同的。具体来说，当前V1.0版本的星链卫星发射后会首先进入高度较低的轨道，然后通过自身推进系统将轨道逐渐抬升到550千米高度的工作轨道上。这一“轨道上升”阶段大概持续几周的时间，在此期间，由于卫星整体“平躺”着运行，光学散射截面较大，导致卫星亮度较高。此外，发射后不久的同一批次的星链相隔不远，所以在合适的观测位置上，肉眼可以清楚地看到一列亮点在夜空中快速地移动。
在正常工作状态下，星链卫星变成“L”形姿态，光学散射截面减小，同时轨道更高，因此卫星亮度降低。虽然暗到人眼基本看不到了，但对天文观测还是太亮了，其影响包括且不限于：
l 直接大面积污染视场，导致像素数据丢失；
l 背景图像中的亮条纹会影响基于光学巡天观测的天文研究，例如宇宙学、近地天体搜寻等；
l 串扰（crosstalk）效应会进一步产生奇怪的干扰条纹；
l 如果出现强烈闪光则可能导致整幅图像过曝。
星链卫星在不同阶段的反射光示意图 ￨ 图源：SpaceX官网
为此，天文学界和SpaceX公司都在想方设法，尽量减轻星链卫星对地面天文观测的影响。2020年初美国天文学会专门组织了紧急讨论会，评估大规模卫星星座带来的影响。从老马在会上的发言可以看出，SpaceX会秉持开放对话的态度，与天文学界一起探讨应对方法，并承诺会考虑减弱星链亮度的若干措施。
减弱卫星亮度
“轨道上升”阶段虽然时间不长，但卫星亮度很高，因此SpaceX把卫星由原先“平躺”姿态变成“侧躺”姿态，减少底座和帆板的反射光。观测结果表明，调整后的星链卫星在“轨道上升”阶段亮度明显降低，地面雷达成像结果也印证了这一做法能有效减小卫星的散射截面。
星链大部分时间都处于工作状态，降低卫星在这一阶段的亮度更为重要。为此，SpaceX考虑了两种方法，一是将卫星底座部分天线涂黑，减少反射光；二是在底座加装遮光板，同时减少卫星底座的入射光和反射光。那么这两种方法的效果究竟如何呢？
左：卫星底座部分涂黑 右：卫星底座加装遮光板 ￨ 图源：SpaceX官网
基于中国科学院空间目标与碎片观测研究中心的历史观测数据，我们比较了使用上述方法后的星链卫星与正常卫星的亮度差异，在相同观测条件下：
底面涂黑的效果一般，并且这种方法还有一些弊端，比如黑色涂料使得卫星吸收更多热量，给卫星热控系统带来挑战；涂料在经历较长的太空环境后有可能分解或脱落。因此，后续星链没有采用底部天线涂黑的方案。
遮光板的效果明显，可以有效减弱太阳光照射到底面相控阵天线的强度，并且屏蔽了部分底面漫反射。因此，从2020年8月之后，每个批次的星链卫星都装备了遮光板。
在不同太阳高度下，工作状态的星链卫星在地平坐标下的光度分布，加装遮光板后卫星亮度明显降低（星等数越大表示越暗）￨ 图源：作者
别让星光蒙尘
SpaceX对星链亮度的减弱措施，确实在一定程度上降低了卫星亮度。但是，除了SpaceX，其他公司还有更多同样庞大的卫星星座在规划之中，是否都能事先考虑卫星亮度减弱方法，优化卫星设计方案，尽量减少对天文观测的影响，还需要进一步观察。
此外，目前V1.0版本星链基本处在550千米高度轨道，但其他规划卫星星座的轨道高度有些会更高，更高轨道的卫星星座是否会对天文观测造成更大危害，包括对低轨道上的空间望远镜可能带来的影响，这些议题还需要继续探讨。
总之，天文学家对此忧心忡忡。
作者简介
鹿 瑶
中国科学院紫金山天文台特别研究助理，主要研究方向：空间碎片光度数据分析与应用。
