Le cas de l’environnementalisme spatial – Nature Astronomy

En considérant l’impact des satellites sur les observations astronomiques, nous devons garder à l’esprit que les sources individuelles de pollution lumineuse peuvent être des milliards, voire des milliards de fois plus brillantes que les objets étudiés par les astronomes, et que bon nombre des observations les plus importantes sur le plan scientifique concernent le temps non reproductible. – les événements sensibles ou transitoires tels que la détection d’objets géocroiseurs, de supernovae ou de sursauts radio rapides.

Astronomie optique

Les ASO peuvent être vus de la Terre car ils réfléchissent la lumière du soleil. Leur luminosité dépend de nombreux facteurs, tels que la taille du satellite, ses propriétés réfléchissantes, sa hauteur au-dessus de la Terre et son orientation. Lorsque les satellites se déplacent dans le champ de vision d’une exposition astronomique, ils laissent des traînées sur l’image (Fig. 4). Pour les dommages déjà causés par les satellites en 2021, voir les réf.^6,7,8,21 et les références qui s’y trouvent. Pour saisir l’impact probable dans un avenir proche, considérons notre population de satellites LEO simplifiée de l’ère 2030 de 100 000 satellites à une hauteur de 600 km.

Bien qu’à cette époque il y avait relativement peu de satellites Starlink, l’effet (les stries sur l’image) était grave car de nombreux satellites Starlink étaient regroupés pendant la phase de montée en orbite peu après le lancement. Crédit : CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/DECam Enquête DELVE.

Seuls quelques satellites sont visibles au-dessus de l’horizon à un instant donné. Pour notre population de l’ère 2030, environ 4 300 personnes se trouvent au-dessus de l’horizon à tout moment et traversent le ciel en 13 minutes environ. Pour un petit champ de vision, il peut n’y avoir que quelques pour cent de chances d’être affecté par une séquence, mais l’observation peut être complètement gâchée et doit être répétée²². Des impacts plus graves se produiraient sur les instruments d’enquête à champ large. Le Zwicky Transient Facility a déjà vu une augmentation des images affectées de 0,5 % fin 2019 à 18 % en août 2021²¹. L’imageur à champ large de 3,5 degrés de l’observatoire Vera C. Rubin en voie d’achèvement au Chili contiendra au moins une séquence dans la majorité des expositions²³. Des expériences en laboratoire utilisant les détecteurs de caméra de l’observatoire Rubin montrent que la diaphonie électronique provoque la cascade de stries et crée des stries supplémentaires plus faibles; cet effet peut rendre certaines analyses scientifiques impossibles car les statistiques de luminosité du fond du ciel sont irrévocablement altérées. Pour éviter le problème de diaphonie, les satellites ne devraient pas être plus brillants que la septième magnitude, plus faibles que les étoiles les plus faibles visibles à l’œil nu sur les sites les plus sombres.²³.

De plus, lorsqu’un objet dans l’espace tourne, un bref éclair brillant ou une lueur peut se produire lorsqu’une facette ou un composant particulièrement réfléchissant du satellite réfléchit brièvement plus de lumière solaire à un observateur au sol.^24,25. Par exemple, les satellites Starlink ont ​​été vus passer rapidement d’une magnitude inférieure à la sixième magnitude à presque la troisième magnitude²⁶. Ces événements extrêmement brillants et de courte durée (transitoires) peuvent imiter certains des phénomènes les plus excitants de l’astronomie moderne. Une étude réalisée en 2020 a identifié un tel flash comme le signe d’un sursaut gamma aux confins de l’Univers, potentiellement une découverte extrêmement excitante. Cependant, un an plus tard, il a été découvert que ce flash était en fait causé par la lumière du soleil se reflétant sur une ancienne pièce de fusée russe Proton.²⁷. Nous ne savons pas encore quelle sera la fréquence de ce type de problème à mesure que la population de LEO augmentera.

Lorsque la Terre éclipse un satellite, le satellite n’est plus éclairé du point de vue d’un observateur sur Terre. (Cependant, les ASO émettent des photons thermiques et affectent ainsi la détection infrarouge même en cas d’éclipse.) En conséquence, l’impact des constellations de satellites sur les observations astronomiques est pire vers le début et la fin de la nuit. Cependant, certains types d’observation doivent être effectués à ces moments-là; et la fraction de nuit affectée dépend fortement de la hauteur de la constellation, de la latitude géographique de l’observatoire et de la période de l’année^3,21,28. De plus, les observations proches du crépuscule verront le plus de traînées, et c’est la même période de temps où il est préférable de rechercher des objets géocroiseurs. En conséquence, notre population de satellites de l’ère 2030 produirait moins de découvertes d’astéroïdes proches de la Terre, y compris ceux qui pourraient traverser l’orbite terrestre. Ce sont tous des facteurs qui doivent être considérés avec soin dans une évaluation environnementale.

Radioastronomie

La radioastronomie est affectée par les satellites utilisant des signaux radio pour relayer les données dans les deux sens avec les stations au sol et les antennes des utilisateurs finaux. La détection d’objets célestes faibles sur ce fond anthropique peut être potentiellement très problématique, car les émissions des satellites peuvent facilement être un billion de fois plus fortes que les cibles astronomiques.^3,4. Dans certaines observations, des cartes finement détaillées sont réalisées en combinant les signaux de nombreuses antennes interconnectées, mais le problème de bruit affecte chaque antenne individuellement, ce qui, selon la physique, sera toujours sensible à une large gamme de directions et de fréquences. Contrairement aux images optiques, l’effet n’est pas une séquence localisée, mais un effet complexe sur toute la carte, qui peut être difficile à reconnaître et à supprimer, c’est comme essayer d’écouter de la musique très calme dans une pièce bruyante. Une antenne de radioastronomie est sensible à une plage de directions généralement inférieure à un degré (le faisceau principal) mais a également une sensibilité réduite dans des directions très différentes (les lobes secondaires). De même, les antennes satellites émettent la majeure partie de leur puissance dans le faisceau principal, mais aussi dans les lobes latéraux. Les pires effets, qui peuvent potentiellement endommager les systèmes de récepteurs électroniques sensibles, sont observés pour un alignement entre les faisceaux principaux astronomiques et satellites, ce qui exclut les observations radio à proximité des cibles OSG et devrait être évité même pour les satellites LEO rapides. Les alignements de lobes latéraux sont cependant beaucoup plus difficiles à éviter, car il peut y avoir des dizaines ou des centaines de satellites LEO dans le ciel à tout moment, et ils se déplacent tous rapidement dans le ciel. L’effet net est extrêmement difficile à calculer, mais une simulation du projet Square Kilometre Array²⁹ suggère qu’une fois que la population Starlink mature est en orbite, chaque observation dans les bandes pertinentes prendra en moyenne 70% de plus.

La réglementation internationale de l’utilisation du spectre radio désigne certaines bandes de fréquences protégées pour la radioastronomie. Cette approche a été à l’origine un grand succès. Cependant, les bandes protégées ont été choisies il y a plusieurs décennies lorsque les systèmes de réception étaient intrinsèquement à bande étroite. La plupart de la radioastronomie moderne est réalisée avec des systèmes à large bande de pointe, qui permettent la détection de signaux naturels beaucoup plus faibles. En conséquence, la protection de la radioastronomie repose désormais sur des zones géographiques de silence radio, que certains pays fournissent et d’autres non. Lorsqu’il est disponible, ce zonage peut protéger contre les interférences terrestres, mais pas contre les interférences satellitaires. Lorsque ces brouillages étaient dominés par un petit nombre de satellites OSG se déplaçant lentement, cela était acceptable, mais les nouvelles constellations LEO pouvaient entraîner des problèmes très graves. Les nouveaux systèmes chevauchent inévitablement les bandes de communication par satellite. En outre, la fabrication en volume et le déploiement d’un grand nombre de satellites relativement peu coûteux sont susceptibles d’augmenter le risque de fuite de bande latérale vers des bandes protégées.

En ce qui concerne la question des interférences spatiales, l’attribution de bandes protégées crée un précédent, car les interférences de fréquence sont implicitement reconnues comme un effet environnemental. Reconnaître que les problèmes doivent être soumis à des lois environnementales telles que la National Environmental Policy Act (NEPA) des États-Unis est la prochaine étape logique, car les problèmes s’aggravent.

Astronomie spatiale

Certains engins spatiaux utilisés pour l’astronomie sont placés à de très grandes distances de la Terre et ne sont pas affectés par les satellites LEO. Beaucoup, cependant, comme le télescope spatial Hubble, sont en LEO et peuvent certainement souffrir de stries. Parfois, un satellite peut passer relativement près (<100 km), auquel cas la traînée provoquée est une bande floue extrêmement brillante, effaçant une fraction importante de l'image. Un exemple est illustré à la Fig. 5. Une étude récente de S. Kruk et al. (manuscrit en préparation) a montré que, selon l'instrument et les paramètres d'observation utilisés, entre 2 % et 8 % des images du télescope spatial Hubble étaient affectées par des stries satellitaires, mais aussi que la fréquence évoluait avec le temps, reflétant la croissance de la Population satellite LEO. Notre population de l'ère 2030 indique que d'ici la fin de la décennie, un tiers des images du télescope spatial Hubble seront affectées, tout comme les futures missions scientifiques basées sur LEO, telles que l'observatoire à grand champ Xuntian en cours de construction pour la station spatiale chinoise.

Il semble probable que la séquence ait été réalisée par Starlink 1619, à seulement quelques kilomètres au-dessus de Hubble à l’époque, créant ainsi une large piste floue. Crédit image : Archives Mikulski pour les télescopes spatiaux (MAST). Chargé de recherche scientifique : Simon Porter.

Atténuation, dommages et leurs coûts

La communauté astronomique internationale a eu plusieurs réunions pour discuter de la manière d’aborder le nouveau paysage du nombre croissant de satellites LEO brillants, ce qui a conduit à des rapports clés^6,7,8,9,10. Un rapport de l’organisme consultatif indépendant du gouvernement américain JASON a également été commandé par la National Science Foundation⁴. Les astronomes se sont engagés avec des sociétés de satellites pour discuter des moyens d’atténuer les problèmes. Pour l’astronomie optique, cela a inclus des idées telles que peindre les satellites en noir, changer leurs orbites et leurs orientations, ajouter des pare-soleil et fournir des positions et des trajectoires détaillées afin que les observatoires puissent éviter de les pointer. Pour la radioastronomie, les principales mesures d’atténuation comprennent la redirection des faisceaux loin des principales installations d’observatoire et l’utilisation d’un filtrage sophistiqué des signaux. Cependant, aucune de ces mesures d’atténuation ne peut totalement éviter que les constellations de satellites LEO nuisent à la science astronomique^7,8,10; lancer beaucoup moins de satellites est la seule atténuation qui pourrait le faire.

Les conséquences de la croissance actuelle et proposée des constellations de satellites ont un coût direct du fait de la répétition ou de l’extension des observations, faisant perdre du temps aux scientifiques et affectant même négativement leur carrière. La mise en œuvre des mesures d’atténuation imposera également des coûts importants, à la communauté astronomique (et donc au contribuable), aux opérateurs de satellites ou aux deux. Nous n’essayons pas d’évaluer ces coûts ici. Au lieu de cela, nous soulignons qu’il s’agit d’un exemple classique de dommages environnementaux, externalisant les coûts réels. Pour donner un exemple, une conclusion significative du groupe de travail sur les observations de l’atelier Satellite Constellations 2 (SATCON2) qui s’est tenu en 2021⁸ était la nécessité d’établir un centre d’observation par satellite coordonné sous l’égide d’un plus grand centre de l’Union astronomique internationale pour la protection du ciel sombre et calme contre les interférences des constellations de satellites³⁰. Une telle activité d’atténuation à long terme nécessitera d’importantes ressources soutenues.

Nous notons que l’ordonnance de la Federal Communications Commission des États-Unis en cours de discussion juridique a, à juste titre, encouragé SpaceX à poursuivre son engagement avec la communauté astronomique. Cependant, ces collaborations fructueuses devraient se dérouler dans le contexte et sous la direction d’une évaluation environnementale.