来自卫星的无线电干扰正在威胁天文学

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·韦伯太空望远镜的建造是为了观察红外线，其他太空望远镜捕捉X射线图像，而像格林班克望远镜、甚大阵列、阿塔卡马大毫米阵列等天文台和世界各地的数十个其他天文台都在无线电工作波长。

射电望远镜面临着一个问题。所有卫星，无论其功能如何，都使用无线电波将信息传输到地球表面。正如光污染可以掩盖繁星点点的夜空一样，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。

我们是三位从事天文学和无线电技术工作的科学家。随着数以万计的卫星预计在未来几年进入轨道并增加地面使用，无线电频谱变得越来越拥挤。无线电静区——通常位于偏远地区，限制或禁止地面无线电传输的区域——在过去保护射电天文学。

随着无线电污染问题的日益严重，科学家、工程师和政策制定者将需要弄清楚每个人如何才能有效地共享有限范围的无线电频率。我们过去几年一直在研究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。

无线电波是电磁波谱中波长最长的辐射，这意味着波的两个峰值之间的距离相对较远。射电望远镜收集波长从毫米到米波长的无线电波。

即使您不熟悉射电望远镜，您也可能听说过它们所做的一些研究。黑洞周围吸积盘的第一张奇妙图像均由事件视界望远镜拍摄。该望远镜是一个由八台射电望远镜组成的全球网络，组成事件视界望远镜的每台望远镜都位于无线电频率干扰非常小的地方：无线电静区。

无线电静区是地面发射机(如手机信号塔)需要降低其功率水平以免影响敏感无线电设备的区域。美国有两个这样的区域。最大的是国家无线电静区，占地13,000平方英里(34,000平方公里)，主要位于西弗吉尼亚州和弗吉尼亚州。它包含绿色银行天文台。另一个是位于科罗拉多州的桌山现场和无线电静区，它支持许多联邦机构的研究。

类似的无线电静区是澳大利亚、南非和中国望远镜的所在地。

黑洞的第一个直接图像是使用事件视界望远镜创建的，结合了八个射电望远镜的观测结果。图片来源：欧洲南方天文台/维基共享资源，CCBY

卫星热潮

1957年10月4日，苏联将人造卫星送入轨道。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够接收到它传回地球的无线电信号。自那次历史性的飞行以来，无线信号已成为现代生活几乎方方面面的一部分——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，处理无线电静区中的干扰就越具有挑战性。现行法律并未保护这些区域免受卫星发射器的影响，这可能会产生毁灭性的影响。在一个例子中，来自一颗铱卫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微弱恒星的观测。

Starlink、OneWeb等卫星互联网网络最终将飞越地球上的每个位置，并将无线电波传输到地表。很快，射电天文学将没有真正安静的地方。

可以看到大型卫星星座，如Starlink的卫星星座，在夜空中排成一行，对可见天文学和射电天文学造成伤害。

天空和地面的干扰

无线电干扰问题并不新鲜。

在1980年代，俄罗斯全球导航卫星系统——本质上是苏联版的GPS——开始以射电天文学受到官方保护的频率进行传输。研究人员针对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，已经造成了很多伤害。

许多卫星使用部分无线电频谱俯视地球，以监测对天气预报和气候研究很重要的地表土壤水分等特征。他们所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，NASA的大部分土壤湿度测量都受到地面雷达系统和消费电子产品的干扰。有适当的系统来监测和解释干扰，但通过国际通信和发射前测试完全避免这个问题对天文学来说是一个更好的选择。

无线电频谱拥挤的解决方案

随着无线电频谱继续变得更加拥挤，用户将不得不共享。这可能涉及时间、空间或频率的共享。不管具体细节如何，解决方案都需要在受控环境中进行测试。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学协调协议，以造福射电天文学。

我们与天文学家、工程师、软件和无线专家合作，并在国家科学基金会的支持下，一直在领导一系列研讨会，以开发国家无线电动态区可以提供的功能。该区域将类似于现有的无线电静区，覆盖大面积并限制无线电传输附近。与安静区不同的是，该设施将配备灵敏的频谱监视器，使天文学家、卫星公司和技术开发商能够大规模地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的区域可以测试为主动用途(如手机信号塔)和被动用途(如射电望远镜)提供更宽带宽接入的方案。

对于我们团队刚刚发表的一篇新论文，我们采访了无线电频谱的用户和监管机构，从射电天文学家到卫星运营商。我们发现，大多数人同意无线电动态区可以帮助解决并有可能避免未来几十年的许多关键干扰问题。

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宝贵自然资源的方法无线电频谱。