科學人 4月號/2023 第254期

低軌衛星 星空殺手

地球軌道上的人造衛星越來越多，亮度往往超過遠方的恆星，科學家憂心，任何人都阻擋不了這種發展。

撰文/波以耳(Rebecca Boyle)
翻譯/甘錫安

日前，魯賓天文台(Vera C. Rubin Observatory)的一場籌備會議結束後，美國加州拉斯昆布瑞天文台的天文學家斯特里特(Rachel Street)憂心極了。這座正在智利建造的新望遠鏡，每三天可拍攝整個天空一次，觀測能力足以看到與月球同樣遠的一顆高爾夫球。所執行的「時空遺跡巡天」(Legacy Survey of Space and Time)計畫將測繪銀河系，詳細記錄太陽系天體，並探究宇宙各處的神秘閃光、碰撞和光點。但如果天空中滿是人造衛星，這座望遠鏡可能永遠無法達成目標。

太空探索科技公司(SpaceX)的星鏈(Starlink)這類新型「衛星星座」(satellite constellation)的亮度，會遮掩天文學家感興趣、人類自古以來讚歎又好奇的真實天體。斯特里特說:「這類會議的主題是說明衛星星座 造成的影響，我參加越多的會議，對天文學的未來就越感到憂心。」一位天文學家提議把望遠鏡的觀測排程提前，她心裡冒出一個不祥的念頭。她的同事正在討論趁早進行基本觀測工作，因為某個時間之後就可能沒辦法觀測。斯特里特回想:「這讓我感到背脊發涼。」

天文學首當其衝

地球的低軌道中有許多無線電通訊衛星星座，人造衛星閃閃發亮的太陽能板和無線電干擾會掩蓋許多天體，因此天文學家正在思考如何在這類狀況下繼續進行研究。 魯賓天文台研究團隊和美國政府責任署(GAO)近來發表的報告提到一種嚴峻狀況，而天文學是首先直接遭受衝擊的科學。天文學家表示，如果放任不管，衛星星座不僅將危害魯賓天文台的未來，也將妨礙絕大多數以可見光觀測宇宙的研究工作。哈佛史密森尼天文物理中心的天文學家麥道威爾(Jonathan McDowell)持續關注人造衛星，他說:「現在狀況介於非常不好到糟糕之 間。」嚴峻程度取決於未來幾年內發射的衛星數量，以及這些衛星的亮度。「幾千枚衛星已經很令人頭痛，數十萬枚衛星將會對地面天文學研究造成危害。」

望遠鏡計畫管理人員正在調整觀測排程計畫，避開新的衛星星座，但低軌道中的衛星數量不斷增加，使這個原本就極度困難的調整變得不可能。天文學家正在嘗試撰寫軟體，除去全天影像中衛星劃過的明亮條痕。 但如果規劃中的最新衛星後續逐步進入軌道，它們的亮度將足以危害望遠鏡相機的電子裝置。研究黑洞碰撞和小行星逼近地球等各種現象的學者，擔憂研究工作將無法持續。天文學家談論衛星星座時，用詞越來越憂心。美國加州大學戴維斯分校天文學家兼魯賓天文台科學總監泰森(Anthony Tyson)說:「電影『四眼天雞』 (Chicken Little)裡的主角雞小弟遭橡實打到頭，就說天快塌下來，我認為現在不只是一顆橡實，而是天真的要塌了。」但如果要提出警告，「現在已經錯過最佳時機，甚至可說是為時已晚。」

史上第一枚人造衛星是前蘇聯於1957 年10 月發射升空的史波尼克一號(Sputnik 1)，現今地球軌道上任 何時刻的衛星數量都多過 5400 枚。依據科學家關懷聯盟建置的資料庫，這些衛星有一半以上屬於美國企業或政府機構，大多數位於低軌道，與地面相距不到 2000 公里。包括國際太空站(ISS)在內的這些衛星，分別是每 1.5 小時左右繞行地球一圈。

2019 年 5 月起，SpaceX 開始在這些軌道面佈放數百枚星鏈衛星，用於傳輸網際網路和行動電話的訊號到達全球各處。依據麥道威爾的記錄，在去年12 月，繞 行地球的衛星中有 3268 枚是星鏈，超過總數的一半。 這些衛星大批發射升空，以稱為「星座」的特定隊形繞 行地球，藉以協同運作。人造衛星的數量和亮度都對天文學研究造成問題，發射升空之後相當醒目，在昏暗天空中閃閃發亮，就像一列炫目的小火車。對望遠鏡的數位相機而言，這些衛星的軌跡看來就像明亮條痕，掩蓋恆星和其他天體，導致影像中的某些區塊過度曝光。 泰森說:「這就像車輛行駛在路上，透過擋風玻璃向外看，有一輛對向的車子開著車燈。我們不只會看不到車燈周圍的事物，而是整個視野都看不清楚，眼睛也承受過度光量。」......

明亮的夜，人造的星――告別曾有過的寧靜星夜

文 / 孫維新

1995年6月29日的傍晚，我正在美國加州大學里克天文台（Lick Observatory）的觀測室裡整理晚上的目標資料，駐站天文學家史東（Remington Stone）進來叫我：「要不要去外面看一個即將發生的歷史畫面？」我們來到戶外山邊，暮色漸濃，史東指著仰角35度的天空一隅，讓我目不轉睛地盯著該處，他自己看著錶倒數計時：「五、四、三、二、一……」，瞬間該處竟出現一顆正在緩慢移動的亮星！這是一個如此奇妙的畫面，我訝異而驚喜地看著這個亮星橫過頭頂，消失在天際的另一側。

那顆星不是自然天體，那是美國的太空梭亞特蘭提斯號（Atlantis）和蘇俄的太空站和平號（Mir）連在一起牽手飛行的壯觀畫面！也是1991年蘇聯解體、冷戰結束後，美俄兩國第一次在太空中的真誠合作。

美東時間那天早上6點，亞特蘭提斯號來到地球上空394公里處，從稍低一些的下方軌道，逐漸抬升接近和平號，下方軌道環繞地球的速度稍快一點，才能追上軌道高一點的和平號。

當和平號上的俄國太空人第一眼看到太空梭，就開始播放俄國民謠表示歡迎。經過兩個小時的逐漸接近和精巧控制，太空梭的指揮官吉布森（Robert L. Gibson）和和平號的指揮官德朱洛夫（Vladimir Dezhurov）穩定地將100噸的太空梭和123噸的和平號對接在一起，瞬間這個結合體就成了有史以來在地球軌道中最大的人造物體！

雙方打開艙門，吉布森和德朱洛夫相向漂近，緊握雙手，慶祝這個歷史時刻，然後交換禮物，美國人帶來了巧克力、水果，和鮮花（好看但不實用），俄國人則奉上傳統迎客的麵包和鹽（不好看但實用）。這個結合體共飛了五天，分開時太空梭載回了三位原先在和平號上的太空人，兩俄一美，這個軌道對接任務前後進行過11次，成為接下來從1998年開始建造國際太空站（International Space Station）的先期計畫。今天大國交惡，再回看這段歷史，讓人不勝唏噓。

您會不會好奇，為何當時這個「亮星」會突然出現在仰角35度的天空，而不是在地平線上升起時就可以看到？因為當時太陽角度已經很低，這個結合體要繞出地球陰影才會被太陽照到，也才會反光讓地面看見，所以我們才會看到它在天空中某一點突然出現！

這次的觀察，終於讓我完成了心中願望，前不久1993年12月2日的一次太空梭任務，是要去修復哈伯望遠鏡不能聚焦的問題，就在修復成功之後，我遇到這次任務的主要科學家赫斯特（Jeff Hester），他跟我誇耀他在這次任務的發射現場看到的景象：就在12月2日的凌晨，太空梭奮進號（Endeavour）點火升空，大約80分鐘之後，現場人員的頭頂上劃過一顆一等亮星，那是哈伯望遠鏡！隔了10分鐘之後，又看到一顆一等亮星追了過去，那就是太空梭！聽了他的體驗令人神往，我自此希望自己也能看到低軌衛星能橫過天際的畫面，終於，在1995年於里克天文台完成了這個願望！

但接下來呢？

近年來在地球低軌道中的衛星越來越多，即使您不想看，它們都會在您眼前晃來晃去，更不用說天文觀測者的廣角長曝光照片，常常在完成之後，會看到畫面上有著許多白色斜線，這些就是低軌衛星們反射陽光在圖像中留下的軌跡，我們的星夜，是否已經無法回到曾經有過的寧靜？

2019年地球周遭有3300個使用中和已廢棄的衛星，到2023年這個數目已經來到6300個，從目前各國申請衛星執照的數量來估算，過幾年地球軌道中的衛星會超過6萬5000個，那時當我們走到「星空」之下，仰頭看到的光點，每15個就有一個是人造衛星。我就想，除了「認識星空」這門課之外，是否我應該加開一門「認識衛星」？免得同學們在星空下許願許錯了對象

這些低軌衛星來自各個希望能自創環球通訊的國家，其中尤以美國太空怪傑馬斯克（Elon Musk）最為關鍵，他的「星鏈」（Starlink）計畫第一期要發射1萬2000顆低軌通訊衛星，第二期要發射3萬顆，最終形成一個巨大的衛星網，密密麻麻地包裹住地球，建構一個以這些衛星為基地台的地面6G網路。目前「星鏈」衛星已經有3000多顆進入軌道，您只要付上599美元購買設備，每月再付上119美元，就能使用目前初步開始運作的「星鏈」系統。

這期《科學人》雜誌我們結合了主題文章〈低軌衛星――星空殺手〉，邀請了葉永烜院士就低軌衛星如何影響天文觀測，撰寫一文〈夜空的星星危機〉，葉老師的文章清楚而完整，不僅介紹了各國發射低軌通訊衛星的現況、這些衛星對地面光學和電波天文觀測的影響，也提到了這些衛星壽命有限，年限到了失效崩解，將對地球周邊的太空環境產生極大的污染。

在過去數十年裡，太空先進國家一頭熱地將大量衛星射入軌道，卻沒有辦法在其壽命告終時妥善處理、不留危害給後人，這是這些國家必須扛責的惡行和無從迴避的責任。但「危機就是轉機，轉機就是商機」，往後20年「太空垃圾」的清除將是太空行業最大的市場之一，目前仍是藍海一片，台灣的有志青年，平常就會去「淨山」、「淨灘」，有沒有想過要去「淨空」？

面對天文學家排山倒海的指責和質疑，馬斯克仍然保持一貫的狎謔笑容，持續鬼扯，說是會將衛星表面的反射率降到7等，比6等星更暗，就不會有影響了，但這對天文觀測一點用處都沒有，的確，6等之後一般民眾肉眼就看不見了，但天文圖像多半需要長時間曝光，9等或10等就已經是亮得不得了的星，我自己的博士論文做的是「明亮的類星體」，亮度是16等，比6等星的「星鏈」衛星要暗上一萬倍，這該怎麼說？

針對本期的這個主題，我聯絡了中央大學鹿林山天文台的林宏欽台長，請他問一下使用過這個研究型天文台的同仁，有沒有遇到過衛星軌跡污染圖像的狀況。剛開始的回應都還好，因為多數師生都使用長焦望遠鏡觀測，視野小，不太容易受影響，但後來收到一張清華大學天文所陳文心同學在鹿林拍攝的彗星照片，那上面的白色線條數量之多，令人難以置信！葉永烜老師把這張照片用在他的文章之中，請讀者參看，我算了一下，這張照片上竟然有45條斜線！畫面中央的那顆彗星，據說是主要目標，被無數白色線條緊密包夾，看起來憋屈得可憐！

這期《科學人》雜誌的封面，我們使用了「全國大學天文社聯盟」錢昕同學拍攝的圖像，彗星C/2021 A1（Leonard）拉著長尾，正對著鹿林山天文台的一米圓頂，看起來好像是反過來從一米望遠鏡對夜空發射的一束探照燈光，相當精采！《科學人》的編輯發揮巧思，參考陳文心同學的衛星軌跡照片，將封面加上了螢光塗料線條，各位讀者初拿到手，會看到一個正常的星空封面，但是當您把這本雜誌拿到暗處，就會看到上面多了許多斜向線條，象徵我們的暗夜星空正在受到深刻且無法回復的影響。

我也希望藉此機會讓讀者能認識鹿林山天文台這個台灣之光，就請林宏欽台長提供了我文中這張廣角的「星軌」圖像，圖中下方前景是鹿林山天文台的設施，中央的畫面則是在長曝光時，夜空恆星運行拉出來的弧線，可以看得出來，所有的星點都在圍繞中央的北極星轉圈圈！這幅圖像的科學內容相當豐富，我們可以看出北極星不在正中不動，它也在繞一個小圈圈，半徑大概是0.5度，也就是說北極星和真正天北極那一點大概有一個滿月的距離！另外可以從每顆恆星畫出來的弧，算出這張片的曝光時間，這不難：要拉出一整個圓圈360度的星軌，要等地球自轉24小時，所以如果這個弧是30度，那這張照片的曝光時間就是兩小時了。如此壯觀震撼的圖像，要是上面遍佈大量平行白線，我們看了會作何感想？

這張圖像還有更令人傷感的一點，就是地平線上的城市光害。試想，我們已經是在海拔2860米的中央山脈上，是在遠離塵囂的玉山國家公園裡，但仍不能免於西部城市經由大氣雲層反射所造成的觀測光害！記得有一回和林宏欽台長站在圓頂外星空下，看著西邊地平，他隨手指向那一叢一叢的光：「那是彰化，那是台中，那是豐原……。」

城市的燈光越璀璨，表示文明越進步，生活越方便，而這個方便與進步，也包含無遠弗屆的手機訊號，這對第三世界低度開發國家尤其重要。不久的將來，當人手一支「特斯拉」手機，全天候接收來自「星鏈」衛星的訊號，即使您爬到了珠穆朗瑪峰的頂端，手機仍然是6G滿格，那時您抬頭仰望被衛星軌跡嚴重污染的高原星空，再低頭看看手上的6G手機，不知您會指責馬斯克，還是感謝馬斯克？

關於封面

去年元旦入夜之後，暮光中，西沉的李奧納德（Leonard）彗星C/2021 A1正巧落在鹿林天文臺後方。特殊加工的夜光油墨模仿低軌道衛星星軌，發光的星軌，比夜空中的彗星更為搶眼，凸顯近年來低軌道衛星影響地表天文觀測的問題。本期封面影像是由大學天文社聯盟的錢昕提供。

天文學
32   低軌衛星——星空殺手
文／波以耳（Rebecca Boyle）
地球軌道上的人造衛星越來越多，亮度往往超過遠方的恆星，科學家憂心，任何人都阻擋不了這種發展。

38        夜空的星星危機
文／葉永烜
鋪天蓋月的低軌道衛星群可能讓超大廣角望遠鏡無用武之地，仿效「減碳清零」政策，在通訊發展和天文觀測之間找到平衡。

太空科學
        
42        獵風者
引領台灣太空產業起飛
文／黃楓台
第一枚自製氣象衛星「獵風者」即將升空，象徵著台灣成為新興太空國家。


醫學
        
44        長新冠：
大腦、神經與免疫的糾葛
文／蘇瑟蘭（Stephani Sutherland）
成千上萬的新冠病毒確診患者，呼吸系統症狀消失後，依然深受急性後遺症的影響，科學家探索這些廣泛症狀背後的病理機制。並以跨專科團隊治療。

物理學
        
52        太初湯
——夸克膠子電漿

文／莫斯柯維茨（Clara Moskowitz）
新實驗能夠比過往更精準再次製造出新生宇宙，那時的宇宙還只是一團基本粒子而已。

神經科學
        
62        惡夢成真
——當做夢成為腦部病兆
文／權（Diana Kwon）

明明正熟睡，卻在拳打腳踢！近年科學家發現，這種夢境演示行為是帕金森氏症等神經退化疾病的早期指標，並且可能源自有毒蛋白團塊從腸道擴散到腦幹。

人類學
        
70        與亡靈對話
——索拉族的喪親療癒
文／維特布斯基（Piers Vitebsky）
快速消失的原住民傳統信仰，訴說著當今全球神學多樣性的脆弱！

理論物理
        
80        無為有處有還無
——全像宇宙論25週年
文／阿拿瑟斯旺米（Anil Ananthaswamy）
全像宇宙論發表至今25週年，除了可應用在解決理論物理的難題，也意味著我們宇宙的四維時空可能來自低維度實體的投影？


心理學
        
84        治療思覺失調症
——心理學的重新介入

文／庫茲（Matthew M. Kurtz）
藥物對思覺失調症的療效不佳，以認知行為治療輔助可望提升療效。  

總編輯的話
        
6        明亮的夜，人造的星 文／孫維新

科學人觀點
        
10        ○★○★○ 文／曾志朗

我是企業家，也是科學人
        
12        無用的基礎科學研究是為大用
——專訪和碩聯合科技董事長童子賢
                
採訪／林詠翔 整理／陸子鈞


14        科學人新聞
章魚神經腕腕相連｜機器人軟實力｜
新細胞株開拓性別研究｜人造酵素抗病毒｜一覽世界科技進展｜
雄胡蜂的另類防禦｜遠古致命樹根｜星系小時候｜
預測孕期子癲前症｜恐龍骨骼藏氣囊｜改變味道的餐具


形上集
        
25        貝爾傳奇（六） 文／高涌泉

教科書之外
        
26        活化石的演化 文、圖／陳文盛

機器思維
        
28        AI的奠基者：麥卡錫（二） 文／林一平


科學棋談
        
30        第一波寒冬前的AI榮景 文／張瑞棋

專家看新聞
        
90        AI殺人誰之過
        文／馬里哈（George Maliha）、帕里克（Ravi B. Parikh）

科學佐以詩文
        
92        木衛二歐羅巴 文／葛利森（Kate Gleason）

健康與科學
        
94        塑化劑有害生殖健康 文／華立斯（Claudia Wallis）


名家問答
        
96        2是最棒的數 採訪整理／克勞威爾（Rachel Crowell）


攸關心智
        
98        年齡是因應壓力的優勢 文／尤哈斯（Daisy Yuhas）

宇宙奧妙
        
100        顯露黑洞秘密的微中子 文／彼萊特（Phil Plait）

科學焦點
        
102        人口爆炸，突破80億 文／歐瑞斯克斯（Naomi Oreskes）

知識搖籃
        
104        貪睡並不可恥且很有效——我們為何要及如何入睡？ 文／黃貞祥

圖表會說話
        
108        綠意盎然的科學
        
文／莫斯科維茨（Clara Moskowitz）、圖表／孔特（Rebecca Konte）

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問，時間為何物？（2016/9/20全新出版） 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦（2016/10/20修訂版）  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美（2016/11/20修訂版） 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活（2016/12/20全新出版） 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為（2017/1/20全新出版）金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀