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光谱的一部分。詹姆斯韦伯太空望远镜是为了观察红外光而建造的，其他太空望远镜捕获X射线图像，而绿岸望远镜，超大阵列，阿塔卡马大型毫米波阵列和世界上其他数十个天文台等天文台则在无线电波长下工作。

射电望远镜正面临一个问题。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技术的科学家。随着数以万计的卫星有望在未来几年进入轨道，并在地面上使用越来越多的卫星，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，地面无线电传输受到限制或禁止的区域 - 过去曾保护射电天文学。

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弄清楚如何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测试新技术，以防止无线电干扰遮挡夜空。

无线电波天文学

无线电波是电磁波谱上波长发射最长的，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。黑洞周围吸积盘的第一张奇妙图像都是由事件视界望远镜产生的。该望远镜是一个由八个射电望远镜组成的全球网络，组成事件视界望远镜的每个望远镜都位于射频干扰很小的地方：无线电安静区。

无线电静区是需要地面发射机(如手机信号塔)降低其功率水平以不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，覆盖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。它包含绿岸天文台。另一个是科罗拉多州的桌山野外站点和无线电静区，支持许多联邦机构的研究。

类似的无线电静区也是澳大利亚、南非和中国的望远镜的所在地。

卫星热潮

4年1957月<>日，苏联将人造卫星送入轨道。当这颗小卫星环绕地球时，世界各地的业余无线电爱好者都能够接收到它发回地球的无线电信号。自那次历史性飞行以来，无线信号几乎已成为现代生活的各个方面的一部分 - 从飞机导航到Wi-Fi - 卫星数量呈指数级增长。

无线电传输越多，处理无线电静默区的干扰就越具有挑战性。现行法律不能保护这些区域免受卫星发射机的侵害，卫星发射机可能会产生毁灭性的影响。在一个例子中，铱星卫星的传输完全掩盖了在分配给射电天文学的保护波段中对一颗微弱恒星的观测。

像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面。很快，对于射电天文学来说，没有一个地方会真正安静。

对天空和地面的干扰

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)开始以官方保护射电天文学的频率进行发射。研究人员建议对这种干扰进行一些修复。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来监测对天气预报和气候研究很重要的表层土壤湿度等特征，俯视地球。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，但通过国际交流和发射前测试完全避免这个问题将是天文学的更好选择。

拥挤无线电频谱的解决方案

随着无线电频谱变得越来越拥挤，用户将不得不共享。这可能涉及时间、空间或频率的共享。无论具体情况如何，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，以使射电天文学受益。

我们与天文学家、工程师、软件和无线专家合作，在美国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什么。该区域将类似于现有的无线电静默区，覆盖大片区域，对附近的无线电传输有限制。与安静区不同，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人员能够大规模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方案，为主动用途(如蜂窝塔)和被动用途(如射电望远镜)提供更广泛的带宽接入。

对于我们团队刚刚发表的一篇新论文，我们与射电频谱的用户和监管机构进行了交谈，从射电天文学家到卫星运营商。我们发现，大多数人都认为无线电动态区可以帮助解决并可能避免未来几十年的许多关键干扰问题。

这样的区域还不存在，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分享无线电频谱这一宝贵自然资源的方法。