來自衛星的無線電干擾正威脅著天文學 _衛星

像綠岸望遠鏡這樣的射電天文臺位于無線電靜默區，可以保護它們免受干擾。Credit: NRAO/AUI/NSF, CC BY
據美國物理學家組織網（by Christopher Gordon De Pree, Christopher R. Anderson and Mariya Zheleva, The Conversation）：可見光只是天文學家用來研究宇宙的電磁波譜的一部分。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是為了觀察紅外光而建造的，其他太空望遠鏡捕捉X射線圖像，像綠色銀行望遠鏡、甚大陣列、阿塔卡馬大型毫米陣列和世界各地數十個其他天文臺都在無線電波長上工作。
射電望遠鏡面臨一個問題。所有的衛星，不管它們的功能如何，都使用無線電波向地球表面傳送信息。就像光污染可以掩蓋布滿星星的夜空一樣，無線電傳輸可以淹沒天文學家用來了解黑洞、新形成的恒星和星系演化的無線電波。
我們是從事天文學和無線技術的三位科學家。隨著數以萬計的衛星預計在未來幾年進入軌道，以及地面使用的增加，無線電頻譜變得越來越擁擠。無線電靜默區——通常位于偏遠地區的區域，地面無線電傳輸受到限制或禁止——在過去保護了射電天文學。
隨著無線電污染問題的持續增長，科學家、工程師和政策制定者將需要找出每個人如何才能有效地共享有限的無線電頻率范圍。我們在過去幾年中一直在努力的一個解決方案是創建一個設施，天文學家和工程師可以在這里測試新技術，以防止無線電干擾遮擋夜空。

不同的望遠鏡捕捉電磁波譜的不同部分，射電望遠鏡收集最長波長的輻射。Credit: InductiveLoad/NASA/Wikimedia Commons, CC BY-SA
無線電波天文學
無線電波是電磁波譜中波長最長的輻射，這意味著兩個波峰之間的距離相對較遠。射電望遠鏡收集波長從毫米到米的無線電波。
即使你不熟悉射電望遠鏡，你也可能聽說過他們所做的一些研究。黑洞周圍的吸積盤的奇妙的第一張圖像都是由視界望遠鏡產生的。這臺望遠鏡是一個由8臺射電望遠鏡組成的全球網絡，組成事件視界望遠鏡的每一臺獨立望遠鏡都位于一個無線電頻率干擾非常小的地方:一個無線電寧靜區。
無線電靜默區是指地面發射機(如手機發射塔)被要求降低功率水平，以免影響敏感的無線電設備的區域。美國有兩個這樣的區域。最大的是國家無線電靜默區，覆蓋13，000平方英里(34，000平方公里)，主要在西弗吉尼亞州和弗吉尼亞州。它包括綠岸天文臺。另一個，位于科羅拉多州的桌山場地和無線電靜默區，支持許多聯邦機構的研究。
澳大利亞、南非和中國也有類似的射電寧靜區。

第一張黑洞的直接圖像是使用視界望遠鏡創建的，結合了8臺射電望遠鏡的觀測結果。Credit: European Southern Observatory/Wikimedia Commons, CC BY
衛星繁榮
1957年10月4日，蘇聯發射人造衛星進入軌道。當這顆小衛星環繞地球飛行時，全世界的業余無線電愛好者都能接收到它傳回地球的無線電信號。自從那次歷史性的飛行以來，無線信號已經成為現代生活幾乎每個方面的一部分——從飛機導航到Wi-Fi——衛星的數量也呈指數級增長。
無線電傳輸越多，處理無線電靜區的干擾就越困難。現有的法律沒有保護這些區域免受衛星發射器的影響，衛星發射器會產生毀滅性的影響。在一個例子中，來自銥星的傳輸完全掩蓋了在分配給射電天文學的受保護波段中對一顆暗星的觀察。
像Starlink、OneWeb等衛星互聯網網絡最終將飛越地球上的每一個地方，并向地表發射無線電波。很快，對于射電天文學來說，沒有一個地方是真正安靜的。
像Starlink這樣的大型衛星星座可以在夜空中排成一行，對可見光和射電天文學都有危害。
天空和地面的干擾
無線電干擾的問題并不新鮮。
在20世紀80年代，俄羅斯全球導航衛星系統——本質上是蘇聯版本的GPS——開始以官方保護的無線電天文學頻率進行傳輸。研究人員為這種干擾推薦了一些修復方法。當俄羅斯導航系統的運營商同意改變衛星的發射頻率時，由于缺乏測試和通信，已經造成了很多危害。
許多衛星利用部分無線電頻譜俯視地球，監測對天氣預報和氣候研究很重要的地表土壤濕度等特征。他們依賴的頻率受到國際協議的保護，但也受到無線電干擾的威脅。
最近的一項研究表明，美國宇航局的大部分土壤濕度測量都受到了地面雷達系統和消費電子產品的干擾。有一些系統可以監測和解釋干擾，但是通過國際交流和發射前測試來完全避免這個問題對于天文學來說是一個更好的選擇。
擁擠無線電頻譜的解決方案
隨著無線電頻譜繼續變得更加擁擠，用戶將不得不共享。這可能包括時間、空間或頻率上的共享。不管具體情況如何，解決方案都需要在受控的環境中進行測試。有合作的早期跡象。美國國家科學基金會和SpaceX最近宣布了一項天文協調協議，以惠及射電天文學。

來自新墨西哥州甚大陣列的兩幅圖像顯示了在沒有衛星干擾的情況下，一顆暗淡的恒星在射電望遠鏡中的樣子(左)和有衛星干擾的情況下(右) 。Credit: G. Taylor, UNM, CC BY-ND
在國家科學基金會的支持下，我們與天文學家、工程師、軟件和無線專家合作，領導了一系列研討會，以開發國家無線電動態區可以提供的功能。這個區域將類似于現有的無線電靜默區，覆蓋一個對附近的無線電傳輸有限制的大區域。與安靜區不同，該設施將配備敏感的光譜監視器，允許天文學家、衛星公司和技術開發人員在大范圍內一起測試接收器和發射器。目標是支持無線電頻譜的創造性和合作性使用。例如，在射電望遠鏡附近建立一個區域，可以測試為主動用途(如手機發射塔)和被動用途(如射電望遠鏡)提供更寬帶寬接入的方案。
在我們團隊剛剛發表的一篇新論文中，我們采訪了無線電頻譜的用戶和監管者，從射電天文學家到衛星運營商。我們發現，大多數人都同意，無線電動態區可以幫助解決，并有可能避免，在未來幾十年許多關鍵的干擾問題。
這樣的區域尚不存在，但我們的團隊和美國各地的許多人正在努力完善這一概念，以便射電天文學、地球傳感衛星以及政府和商業無線系統能夠找到共享無線電頻譜這一寶貴自然資源的方法。

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