Während reflektierende Satelliten den Himmel füllen, sorgen die Schüler dafür, dass sich die Astronomen anpassen können

Wenn Satelliten über den Himmel kriechen, reflektieren sie das Licht der Sonne zurück zur Erde, insbesondere in den ersten Stunden nach Sonnenuntergang und in den ersten Stunden vor Sonnenaufgang. Da immer mehr Unternehmen Satellitennetzwerke in die erdnahe Umlaufbahn bringen, wird eine klare Sicht auf den Nachthimmel immer seltener. Vor allem Astronomen versuchen, Wege zur Anpassung zu finden.

Vor diesem Hintergrund hat ein Team von Studenten und Lehrkräften der University of Arizona eine umfassende Studie durchgeführt, um die Helligkeit von Satelliten zu verfolgen und zu charakterisieren, wobei ein bodengestützter Sensor verwendet wurde, den sie entwickelt haben, um die Helligkeit, Geschwindigkeit und Wege von Satelliten durch den Himmel zu messen. Ihre Arbeit könnte für Astronomen hilfreich sein, die – wenn sie über eintreffende helle Satelliten benachrichtigt werden – die Blenden ihrer an Teleskopen montierten Kameras schließen könnten, um zu verhindern, dass Lichtspuren ihre langbelichteten astronomischen Bilder verfälschen.

Das Forschungsteam wurde von Vishnu Reddy, Professor für Planetenwissenschaften, geleitet, der zusammen mit Roberto Furfaro, Professor für System- und Wirtschaftsingenieurwesen, auch das Space Domain Awareness Lab der Universität leitet, das alle Arten von Objekten verfolgt und charakterisiert, die die Erde und den Mond umkreisen.

Grace Halferty, eine Seniorin, die diesen Sommer ihren Bachelor in Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau abschließt, ist die Hauptautorin der Studie, die in veröffentlicht wird Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Die Studie beschreibt, wie das Team ein Satellitenverfolgungsgerät entwickelt hat, um die Helligkeit und Position von SpaceX Starlink-Satelliten zu messen, und diese Beobachtungen mit Satellitenverfolgungsdaten der Regierung aus der Space Track Catalog-Datenbank verglichen hat.

„Bis jetzt wurden die meisten verfügbaren photometrischen – oder Helligkeits – Beobachtungen mit bloßem Auge durchgeführt“, sagte Halferty. „Dies ist eine der ersten umfassenden photometrischen Studien, die einem Peer-Review unterzogen wurden. Die Satelliten sind mit herkömmlichen astronomischen Teleskopen schwer zu verfolgen, weil sie so hell und schnell sind, also haben wir im Grunde genommen einen kleinen Sensor mit einer Kamera gebaut selbst objektivieren, weil es nichts von der Stange gab.“

Das Team führte über zwei Jahre hinweg 353 Messungen von 61 Satelliten durch und stellte fest, dass die Position der Starlink-Satelliten, wie sie im Space Track Catalog der Regierung aufgezeichnet wurden, nur um durchschnittlich 0,3 Bogensekunden von den Berechnungen von UArizona abwich. Eine Bogensekunde am Himmel ist etwa so groß wie ein Groschen, der in 2,5 Meilen Entfernung gehalten wird. Der winzige Unterschied ist wahrscheinlich auf natürliche Verzögerungszeiten in den Regierungsdaten zurückzuführen, sagte Reddy. Da diese Daten auf geschätzten Umlaufbahnen basieren, die Tage zuvor berechnet wurden, und nicht auf Echtzeitbeobachtungen, können sich Positionierungsfehler ansammeln.

„Dies deutet darauf hin, dass es Hoffnung gibt, dass Astronomen diese Daten nutzen können, um den Verschluss ihrer Teleskope rechtzeitig zu schließen, inmitten des wachsenden Chaos am Himmel“, sagte Reddy.

Ein Sternenstau

Starlink ist ein großes Satellitennetzwerk, auch Mega-Konstellation genannt, das von SpaceX betrieben wird, um eine globale Internetabdeckung bereitzustellen. SpaceX begann 2019 mit dem Start von Starlink-Satelliten. Heute wurden mehr als 2.700 Starlink-Satelliten gestartet – ein Bruchteil der geplanten insgesamt 42.000 Satelliten.

Andere Beispiele für Satellitenkonstellationen umfassen 31 GPS-Satelliten und 75 Iridium-Satelliten für die Kommunikation. Andere Unternehmen haben Pläne, in den nächsten Jahren weitere Satelliten in die niedrige und mittlere Erdumlaufbahn zu bringen. Amazon plant beispielsweise den Start von 3.000 Satelliten und die chinesische Regierung plant 13.000. Diese Satelliten werden nicht höher als 22.000 Meilen über der Erde kreisen.

Das Problem bei Satelliten besteht darin, dass sie Energie benötigen, die von Sonnenkollektoren gewonnen wird, die das Sonnenlicht an bodengestützten Teleskopen reflektieren und sich wiederum auf astronomische Beobachtungen von Teleskopen auf der ganzen Welt auswirken können. Etwa 30 % aller Teleskopbilder werden nach Fertigstellung der Starlink-Konstellation von mindestens einer Satellitenspur beeinflusst, sagte Tanner Campbell, Mitglied des Forschungsteams, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau.

„Wenn andere Konstellationen hinzugefügt werden, wird das Problem für bodengestützte astronomische Vermessungen nur noch schlimmer“, sagte er.

Diese Satelliten reflektieren direkt nach dem Start noch mehr, während sie noch relativ niedrig und dicht gedrängt sind, bevor sie sich im Laufe der Zeit über ihre Umlaufbahn ausbreiten. Sie sind oft so hell wie Saturn oder Jupiter, zwei der hellsten Objekte am Nachthimmel. Wenn sie in höhere Umlaufbahnen manövrieren, werden sie etwas schwächer.

Ein bewegliches Ziel

SpaceX hat einige verschiedene Methoden eingesetzt, um seine Starlink-Satelliten zu verdunkeln. Beispielsweise sind VisorSat-Satelliten auf einen Schatten angewiesen, um zusätzliches Sonnenlicht zu blockieren, wodurch sie 1,6-mal schwächer werden. DarkSat-Satelliten hingegen sind auf eine Antireflexbeschichtung angewiesen, die sie 4,8-mal schwächer macht. DarkSats wurde jedoch zu heiß, also entfernte sich SpaceX von dieser speziellen Methode. Seit August 2021 sind alle Starlink-Satelliten VisorSats.

„Obwohl diese Modifikationen Schritte in die richtige Richtung sind, verdunkeln sie die Satelliten auch nicht genug für astronomische Untersuchungen“, sagte Adam Battle, Mitglied des Forschungsteams, ein Doktorand, der Planetenwissenschaften studiert.

Im Juli kündigte SpaceX neue Strategien an. Einer beinhaltet Spiegel, die das Sonnenlicht von der Erde weg reflektieren, und ein anderer beinhaltet die Verwendung dunklerer Baumaterialien. Reddys Team plant zu untersuchen, wie effektiv diese Methoden sind, um die Reflexion des Sonnenlichts zurück zur Erde zu reduzieren.

Während es für Astronomen hilfreich ist, genau zu wissen, wo sich Satelliten befinden, erhöht das Abschalten der Kameras die Gemeinkosten für den Teleskopbetrieb. Durchmusterungen werden weniger effizient, wenn Astronomen den Verschluss schließen oder kontaminierte Bilder wegwerfen müssen. Beispielsweise könnte eine Umfrage, deren Durchführung fünf Jahre dauern würde, 10 % bis 20 % mehr Zeit in Anspruch nehmen, wenn die Umfrageeffizienz nachlässt. Die Kosten werden weiter steigen, wenn mehr Satelliten gestartet werden, sagte Reddy.

Das Team plant, auf seinem Erfolg aufzubauen, indem es die Helligkeit der neuesten Generation von Starlink-Satelliten in vier verschiedenfarbigen Filtern untersucht – dieselben, die bei astronomischen Himmelsdurchmusterungen verwendet werden, um unterschiedliche Informationen von Sternen, Planeten und mehr herauszukitzeln. Um dies zu erreichen, hat das Team mit dem kleinen Unternehmen Starizona aus Tucson zusammengearbeitet, um einen Sensor zu bauen, der Bilder von Satelliten gleichzeitig in vier Farben aufnehmen kann.

„Die Zusammenarbeit mit kleinen lokalen Unternehmen ist ein Gewinn für uns, da sie unseren Studenten die Möglichkeit bietet, schnell Prototypen zu entwickeln und ein neues System online zu bringen“, sagte Reddy.