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来自卫星的无线电干扰正威胁着天文学

2023-04-21 19:14:26 2215

摘要:像绿岸望远镜这样的射电天文台位于无线电静默区,可以保护它们免受干扰。Credit: NRAO/AUI/NSF, CC BY据美国物理学家组织网(by Christopher Gordon De Pree, Christopher R. An...

像绿岸望远镜这样的射电天文台位于无线电静默区,可以保护它们免受干扰。Credit: NRAO/AUI/NSF, CC BY

据美国物理学家组织网(by Christopher Gordon De Pree, Christopher R. Anderson and Mariya Zheleva, The Conversation):可见光只是天文学家用来研究宇宙的电磁波谱的一部分。詹姆斯·韦伯太空望远镜是为了观察红外光而建造的,其他太空望远镜捕捉X射线图像,像绿色银行望远镜、甚大阵列、阿塔卡马大型毫米阵列和世界各地数十个其他天文台都在无线电波长上工作。

射电望远镜面临一个问题。所有的卫星,不管它们的功能如何,都使用无线电波向地球表面传送信息。就像光污染可以掩盖布满星星的夜空一样,无线电传输可以淹没天文学家用来了解黑洞、新形成的恒星和星系演化的无线电波。

我们是从事天文学和无线技术的三位科学家。随着数以万计的卫星预计在未来几年进入轨道,以及地面使用的增加,无线电频谱变得越来越拥挤。无线电静默区——通常位于偏远地区的区域,地面无线电传输受到限制或禁止——在过去保护了射电天文学。

随着无线电污染问题的持续增长,科学家、工程师和政策制定者将需要找出每个人如何才能有效地共享有限的无线电频率范围。我们在过去几年中一直在努力的一个解决方案是创建一个设施,天文学家和工程师可以在这里测试新技术,以防止无线电干扰遮挡夜空。

不同的望远镜捕捉电磁波谱的不同部分,射电望远镜收集最长波长的辐射。Credit: InductiveLoad/NASA/Wikimedia Commons, CC BY-SA

无线电波天文学

无线电波是电磁波谱中波长最长的辐射,这意味着两个波峰之间的距离相对较远。射电望远镜收集波长从毫米到米的无线电波。

即使你不熟悉射电望远镜,你也可能听说过他们所做的一些研究。黑洞周围的吸积盘的奇妙的第一张图像都是由视界望远镜产生的。这台望远镜是一个由8台射电望远镜组成的全球网络,组成事件视界望远镜的每一台独立望远镜都位于一个无线电频率干扰非常小的地方:一个无线电宁静区。

无线电静默区是指地面发射机(如手机发射塔)被要求降低功率水平,以免影响敏感的无线电设备的区域。美国有两个这样的区域。最大的是国家无线电静默区,覆盖13,000平方英里(34,000平方公里),主要在西弗吉尼亚州和弗吉尼亚州。它包括绿岸天文台。另一个,位于科罗拉多州的桌山场地和无线电静默区,支持许多联邦机构的研究。

澳大利亚、南非和中国也有类似的射电宁静区。

第一张黑洞的直接图像是使用视界望远镜创建的,结合了8台射电望远镜的观测结果。Credit: European Southern Observatory/Wikimedia Commons, CC BY

卫星繁荣

1957年10月4日,苏联发射人造卫星进入轨道。当这颗小卫星环绕地球飞行时,全世界的业余无线电爱好者都能接收到它传回地球的无线电信号。自从那次历史性的飞行以来,无线信号已经成为现代生活几乎每个方面的一部分——从飞机导航到Wi-Fi——卫星的数量也呈指数级增长。

无线电传输越多,处理无线电静区的干扰就越困难。现有的法律没有保护这些区域免受卫星发射器的影响,卫星发射器会产生毁灭性的影响。在一个例子中,来自铱星的传输完全掩盖了在分配给射电天文学的受保护波段中对一颗暗星的观察。

像Starlink、OneWeb等卫星互联网网络最终将飞越地球上的每一个地方,并向地表发射无线电波。很快,对于射电天文学来说,没有一个地方是真正安静的。

像Starlink这样的大型卫星星座可以在夜空中排成一行,对可见光和射电天文学都有危害。

天空和地面的干扰

无线电干扰的问题并不新鲜。

在20世纪80年代,俄罗斯全球导航卫星系统——本质上是苏联版本的GPS——开始以官方保护的无线电天文学频率进行传输。研究人员为这种干扰推荐了一些修复方法。当俄罗斯导航系统的运营商同意改变卫星的发射频率时,由于缺乏测试和通信,已经造成了很多危害。

许多卫星利用部分无线电频谱俯视地球,监测对天气预报和气候研究很重要的地表土壤湿度等特征。他们依赖的频率受到国际协议的保护,但也受到无线电干扰的威胁。

最近的一项研究表明,美国宇航局的大部分土壤湿度测量都受到了地面雷达系统和消费电子产品的干扰。有一些系统可以监测和解释干扰,但是通过国际交流和发射前测试来完全避免这个问题对于天文学来说是一个更好的选择。

拥挤无线电频谱的解决方案

随着无线电频谱继续变得更加拥挤,用户将不得不共享。这可能包括时间、空间或频率上的共享。不管具体情况如何,解决方案都需要在受控的环境中进行测试。有合作的早期迹象。美国国家科学基金会和SpaceX最近宣布了一项天文协调协议,以惠及射电天文学。

来自新墨西哥州甚大阵列的两幅图像显示了在没有卫星干扰的情况下,一颗暗淡的恒星在射电望远镜中的样子(左)和有卫星干扰的情况下(右)。Credit: G. Taylor, UNM, CC BY-ND

在国家科学基金会的支持下,我们与天文学家、工程师、软件和无线专家合作,领导了一系列研讨会,以开发国家无线电动态区可以提供的功能。这个区域将类似于现有的无线电静默区,覆盖一个对附近的无线电传输有限制的大区域。与安静区不同,该设施将配备敏感的光谱监视器,允许天文学家、卫星公司和技术开发人员在大范围内一起测试接收器和发射器。目标是支持无线电频谱的创造性和合作性使用。例如,在射电望远镜附近建立一个区域,可以测试为主动用途(如手机发射塔)和被动用途(如射电望远镜)提供更宽带宽接入的方案。

在我们团队刚刚发表的一篇新论文中,我们采访了无线电频谱的用户和监管者,从射电天文学家到卫星运营商。我们发现,大多数人都同意,无线电动态区可以帮助解决,并有可能避免,在未来几十年许多关键的干扰问题。

这样的区域尚不存在,但我们的团队和美国各地的许多人正在努力完善这一概念,以便射电天文学、地球传感卫星以及政府和商业无线系统能够找到共享无线电频谱这一宝贵自然资源的方法。

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