▲ 图片来源：pixabay
目前，地球正被成千上万颗人造卫星及其产生的太空垃圾围绕。单 SpaceX 一家就已经发射了 3208 颗星链卫星。未来几年内，还有数以万计的卫星已被批准陆续发射，这会给人类的夜空带来巨大的影响。未来，在最差的情况下，人类夜空中将近有 1/10 的亮星都会是人造卫星，这其中，大部分都是马斯克的。
现在，马斯克是全球最富有的人。火箭、星链、电动汽车、脑机接口等前沿科技让这位新晋全球首富充满了科技范。尽管围绕马斯克存在诸多争议，但马斯克的确在影响整个世界的发展进程。不论是地面上的电动汽车，还是飞向宇宙的可重复火箭，又或者是他用自家火箭向太空发射的卫星网络 —— 星链(Starlink)。
8 月 31 日，SpaceX 用猎鹰 9 号火箭在美国加州范登堡太空基地(Vandenberg Space Force Base)的 4E 号航天发射场(SLC-4E)发射了 46 颗星链卫星。至此，已发射星链卫星总数达到了 3208 颗。现在，星链卫星已经可以提供网络服务了。这种网络服务无需铺设复杂的光纤网络，就能为偏远地区提供网络服务。卫星网络应用潜力是巨大的，不少国家都在着手建立自己的人造卫星星座系统，英国的 OneWeb，美国的 Kuiper，还有我国的星网(StarNet)。
人造卫星星座不断扩张，地球近地轨道越来越拥挤。仅前文提到的 4 座卫星网络，已经规划发射的卫星数量就超过了 6.5 万颗。这些卫星可以反射太阳光，被地面上的人看到。最先注意到这些的是天文学家，因为他们在天文图像上产生了长长的、无法消除的轨迹，严重影响天文观测。
但很快，这种影响就不会仅仅局限在天文学领域了。近期刊登在《天体物理学报》上的一篇论文表示，就算只考虑现在已经有详细轨道规划的卫星，当它们建成后，在地球上的某些地方，天空中大约 9% 的亮星，都会变成人造卫星。
闪亮的卫星
他们是怎么得出这个结论的?
想知道肉眼能看到多少颗卫星，首先要分析卫星的轨道数据，只有卫星飞到地平线以上时才能被人看到。研究人员整理各机构向美国联邦通信委员会(FCC)和国际电信联盟 (ITU)报备的轨道数据。
星链卫星总共规划了 4.2 万颗，其中 3 万颗左右都分布在 328～360 千米的高度之间。英国的 OneWeb 主要分布在 1200 千米高的轨道上。我国的星网则由两部分组成，一部分是 500～600 千米之间，另一部分卫星位于 1145 千米高的轨道。
每个轨道上都可能会有几千颗卫星，卫星在同一个轨道上的相对位置可以随时调整，研究人员假设这些卫星在轨道上是均匀分布的，这样他们就能获取每个卫星的相对位置。
▲ 图中蓝点代表卫星预计的相对位置，可以看到卫星位置分布具有明显的维度特征，这与卫星网络目标客户所在维度有关。图片来源：原论文
恒星都是自发光的。人造卫星也和地球的天然卫星(月球)一样，只能通过反射太阳光才能被人看到。而人造卫星星座都用低轨卫星与地球通信，地球对卫星的遮挡非常明显。这导致在黄昏和黎明时，地面上能看到的卫星是最多的。深夜，地球转到太阳的背面，挡住全部的太阳光，人造卫星无法反射太阳光，也就变得不可见了。
▲ 卫星进入地球阴影区后就不可见了。制图：王昱
结合上面的条件，天文学家就能算出来，全球各地的夜空中能看到多少颗卫星。结果是，在北纬 40 度左右，夏至刚入夜时，全天被太阳照亮的卫星数量甚至能超过 3000 颗。
▲ 如果目前规划的星座计划全部完成。夏至日，全球各纬度能在地平线上有机会被人看到的人造卫星数量。横轴为一天的时间，纵轴为纬度，灰色曲线包围的深色部分为夜晚。图片来源：原论文
从某种意义上来说，人造卫星也是某种“行星”，它们每 90 分钟就能绕地球一圈，在天空中的运动速度无“星”能及。在地面上看来，卫星(高度 350 千米左右)的运动速度甚至比大气层里的飞机(高度 10 千米左右)还要快。
真空中的球形鸡
但只是被太阳照亮，并不意味着这些卫星一定能被人眼看见。还存在卫星反射的光太暗，人眼根本看不到的情况。但想要确定卫星具体的亮度，实际是一个非常复杂的问题。就算是卫星制造商本身，往往也是在卫星上天后才能确切知道自己的卫星在地面上看起来有多亮。卫星的亮度受多种因素的影响，这涉及到卫星的外形、材质、方位角度和大气消光等因素。卫星的外形非常复杂，并且姿态可以随时调整。有时，卫星的太阳能板甚至能恰好把太阳光反射到观测者所在的位置，产生非常闪耀的光变 —— 就好像你在马路边走路时，突然被汽车后视镜反射的太阳光闪到了。因此，想要确切知道卫星有多亮是非常困难的。
好在物理学家(众所周知，天文学家和物理学家走得很近)是一群喜欢将复杂问题简单化的人，有一个著名的笑话诠释了这一点：
有一个农民养鸡，但他的鸡都不育。所以他找了一个物理学家来帮忙。这个物理学家做了一些计算，然后说：我已经有解决办法了，但是这个办法只适用于真空中的球形鸡。
这次，研究团队根据 2019 年 ActaAstronautica 杂志上的一个模型，不管通讯卫星的外形多么千奇百怪，统统把它等效为一个漫反射球体。虽然这种模型无法模拟卫星镜面反射导致的光变，但研究团队表示，他们尝试观测了一些卫星，这种模型在大多数时候都能比较准确地反映卫星的亮度。
星星的亮度用星等衡量，星等数值越低就越亮。一般而言，人眼能在郊区看到星等 5 以下的星。全天星等低于 5 的恒星不过 804 颗，而在夏至日的黄昏，就会有 79 颗卫星的星等低于 5 等。也就是说，天空中将近有 9% 的可见星都会是人造卫星，考虑到星链卫星在数量上的主导优势，大部分能见到的卫星都会是马斯克的。
保卫星空
人眼如此，就更别提天文望远镜了。人眼勉强能看到的暗弱天体，足以对望远镜的科学数据造成不可恢复的损伤。星等在 7 以下的星，甚至能在大口径全天巡视望远镜(LSST)望远镜的多个传感器之间产生串扰，让整个传感器上的数据都失去科学价值。
去年，一项发布在《英国皇家天文学月报》的研究，通过估计目前卫星的数目以及分布，发现它们已经让天空亮度增加了 10%。而根据国际天文联合会的要求，天文学观测应该在光污染造成亮度增加低于 10% 的地方进行，过度的光污染将影响天文学家对黯淡星系的搜寻。而由于通讯卫星会向地面发射信号，它们对地面射电天文观测的影响甚至更严重。
如此严重的问题自然不容忽视。天文学家虽然无力阻止卫星星座的快速扩张，但仍可以协商寻求解决方案。比如星链就曾表示，他们计划给未来的星链卫星换上低反射率涂装，降低卫星的亮度。也有人建议提升卫星的轨道高度，增大卫星和观测者之间的距离来降低亮度。
不过，这对天文爱好者而言或许是个新的兴趣点。毕竟，在晚上抬头看天，那几颗最亮、最快的光点，正是人类科技进步的证明。
主要参考论文：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac341b
参考链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576518321271?via%3Dihub
https://academic.oup.com/mnrasl/article/504/1/L40/6188393
https://starwalk.space/zh-Hans/news/spacex-starlink-satellites-night-sky-visibility-guide
https://www.spacex.com/updates/#sustainability
https://www.forbes.com/sites/chasewithorn/2022/04/05/forbes-36th-annual-worlds-billionaires-list-facts-and-figures-2022/
https://www.eet-china.com/mp/a132206.html
