장군은 태어날 때부터 용감하고 용감하며, 허리에 기수연비 세이버를 차고 있습니다. 안녕하세요 여러분, 칼을 쥐지 못하는 딥스페이스 편집장입니다. 딥스페이스 편집자가 오랜 시간을 들여 정리해서 이 글을 가져왔습니다. 더 이상 고민하지 말고 함께 알아봅시다.
2019년 SpaceX는 한 번에 60개의 위성을 발사하는 최초의 대규모 스타링크 위성 배치를 시작했습니다. 다음 날 천문학 애호가들은 이 위성들이 열차처럼 하늘 위를 마치 전 세계를 돌아다니고 심지어는 천체 망원경의 시야에 침입하여 사진이 위성 궤도에 완전히 가려지는 것을 발견했습니다.
지구 위를 공전하는 스타링크 위성을 예술적으로 표현한 그림입니다. 출처: SpaceX
국제천문연맹(International Astronomical Union)과 국립전파천문대(National Radio Astronomy Observatory)는 모두 우려를 표명하는 성명을 발표했습니다. 2020년 1월 8일 현재 SpaceX는 총 120개의 유사한 위성을 궤도에 올렸으며 앞으로도 더 많은 Starlink 위성이 계속 발사될 예정입니다.
누가 오나요?
사실 스페이스X는 다들 꽤 익숙합니다. 이 민간 기업은 매우 비용 효과적인 팔콘(Falcon) 로켓으로 수많은 주문을 따내면서 거의 단독으로 세계 항공우주 시장을 뒤흔들었습니다. 불과 몇 년 전만 해도 우주왕복선에 대한 교훈이 여전히 생생했기 때문에 사람들은 자연스럽게 로켓 회수가 막다른 골목에 이르렀다고 생각했습니다. 회수가 성공하더라도 대부분의 용량을 잃고 많은 노력이 필요할 것입니다. 유지 보수 및 개조에 대한 투자. 그러나 빠른 기술 반복을 통해 팔콘 로켓은 점점 성숙해지고 로켓 재활용이 보편화되었으며 팔콘은 재활용 상태에서도 여전히 상당한 운송 능력을 제공할 수 있습니다. SpaceX의 사장인 Elon Musk는 훨씬 더 야심찬 계획을 가지고 있습니다. 그는 한 단계 더 나아가 인간을 화성에 보낼 수 있는 거대한 로켓을 만들 계획을 갖고 있다. 지름이 9미터이고 새턴 V보다 무게가 더 나가는 이 로켓은 액체 산소 메탄을 연료로 사용하여 우주선이 다시 지구로 돌아갈 수 있도록 화성에 있는 현지 물질을 연료로 만들 계획입니다. 물론 더욱 놀라운 것은 "스타십(Starship)" 테스트 기계입니다. 이 기계는 야외에서 손으로 제작되었습니다. 스테인레스 스틸 외피에는 눈에 띄게 오목하고 볼록한 표시가 있어 마치 헛간처럼 보입니다. 물론, 가압 테스트 중에 프로토타입 중 하나가 폭발했습니다.
그림 1 2019년 11월 발사 준비가 완료된 60개의 스타링크 위성. 출처 : SpaceX
이번 주인공인 스타링크 프로젝트는 머스크가 제안한 또 다른 '미친' 아이디어다. 매우 비용 효율적인 자체 발사체를 사용하여 몇 년 내에 42,000개의 위성을 지구 저궤도로 발사할 것입니다. 예, 이 숫자는 인류가 발사한 위성 수의 약 5배가 될 것입니다.
계획에 따르면 '스타링크'는 다수의 저궤도 위성을 통해 완전한 글로벌 커버리지를 달성하고, 높은 처리량, 짧은 지연 시간의 인터넷 통신망을 구성한다는 인터넷 위성 통신 시스템이다. . 위성망이 제공하는 통신 서비스가 완성되면 산간벽지의 개인 사용자부터 대도시의 기업 사용자까지 누구나 사각지대 없이 통신 범위의 편리함을 누릴 수 있습니다. 또한 위성 네트워크는 지상 백본 네트워크를 대체할 수도 있지만 광섬유는 수천 개의 산과 강에 걸쳐 있지만 위성을 사용하려면 몇 개의 중계만 필요합니다.
압도적인 네트워크 구축 계획에 맞춰 스타링크 위성은 비용 절감을 위해 다양한 수단을 동원하고 있다. 발사 시에는 별도의 분리 장치 없이 판형 위성들이 촘촘하게 쌓이는 대신, 위성들이 서로 충돌하더라도 카드놀이처럼 한꺼번에 발사된다. Falcon 9 발사체는 62개의 위성을 궤도로 발사할 수 있으며 로켓의 첫 번째 단계를 복구할 수도 있습니다. 향후 계획에서 Falcon Heavy 로켓은 더 많은 위성을 우주로 발사할 수 있습니다.
그림 2 네트워크의 첫 번째 단계에서는 약 1,600개의 위성이 고도 550km에서 지구 궤도를 돌게 됩니다. 이후 2,700개 이상의 위성이 1,100~1,325km의 고궤도에 진입해 글로벌 네트워크를 완성하게 된다. 두 번째 단계에서는 7,000개 이상의 위성이 300km의 낮은 고도에 진입하게 됩니다. 출처: starlink
각 Starlink 위성의 무게는 227kg이며 판 모양의 위성 본체와 접이식 태양 전지판으로 구성됩니다.
각 위성에는 네트워크 서비스를 위한 4개의 위상 배열 안테나가 장착되어 있으며, 지상 사용자는 45°의 위성으로부터 신호를 수신할 수 있습니다. 위성은 2020년부터 위성 간 통신을 위한 레이저 통신 시스템을 탑재할 것으로 예상됩니다. 위성은 궤도 변경 및 궤도 유지를 위해 홀 효과 추진기를 사용하며 연료는 크립톤입니다. 다른 위성과의 충돌을 피하기 위해 위성은 미국 국방부에서 제공한 데이터를 사용하여 우주 잔해를 자동으로 회피합니다. 위성의 궤도상 수명은 1~5년이다.
2019년 5월 1차 발사된 위성 60개는 550km의 저궤도에 진입했고, 2019년 11월에 두 번째 발사가 이뤄졌고, 2020년 1월 세 번째 발사가 이뤄졌다. 계획에 따르면 이후 한 달 이내에 스타링크 위성이 한 묶음씩 발사될 예정이다. 네트워크의 첫 번째 단계에서는 약 1,600개의 위성이 550km 거리에서 지구 궤도를 돌게 됩니다. 이후 2,700개 이상의 위성이 1,100~1,325km의 고궤도에 진입해 글로벌 네트워크를 완성하게 된다. '스타링크' 계획의 두 번째 단계는 전체 네트워크의 대역폭을 늘리기 위해 7,000개 이상의 위성을 300km의 낮은 고도로 발사하는 것입니다.
두 단계의 트랙 표면 매개변수는 표 1에서 볼 수 있습니다. 1단계 위성은 서로 다른 궤도면에서 작동하는 반면, 2단계 저궤도 위성은 개별 위성을 개별적으로 제어합니다.
표 1 이는 SpaceX가 주파수 자원을 위해 FCC에 제출한 문서 중 Starlink 위성 네트워크의 두 단계에 대한 궤도 평면 매개변수입니다. 예비 커버리지 계획은 550km, 궤도면 72개, 각 궤도면에 위성 22개로 변경됐다. 발사된 Starlink 위성의 첫 번째 배치는 이 쉘에 속합니다. 출처: SpaceX/FCC
미국 연방통신위원회의 주파수 대역 승인에 따르면 SpaceX는 2024년에 발사 작업의 절반을 완료하고 2027년에 모든 위성 발사를 완료해야 합니다. 즉, 스페이스X는 단 7년 안에 12,000개 이상의 위성을 발사하게 된다는 것입니다.
2019년 10월 SpaceX는 새로운 위성 배치에 대한 주파수 신청서를 제출했으며, 30,000개의 위성을 추가하여 총 위성 수를 42,000개로 늘릴 계획입니다. 이는 대략 모든 위성 수에 해당합니다. 인류가 5번 발사했습니다. 이 30,000개의 위성은 328km에서 580km 사이에서 작동합니다.
'새로운' 별이 빛나는 하늘
우리는 이른 아침과 저녁에 하늘을 가로지르는 인공위성을 자주 볼 수 있습니다. 이러한 위성은 천문학자들이 촬영한 심원 사진에 자주 등장하며, 이러한 위성의 흔적을 제거하는 것은 후처리 과정에서 거의 불가피한 단계입니다. Starlink 위성도 예외는 아닙니다. 실제로 단일 위성의 밝기는 눈에 띄지 않지만 문제는 위성이 너무 많다는 것입니다.
그림 3: 2019년 5월 25일 저녁 미국 애리조나주 로웰 천문대에서 망원경으로 촬영한 NGC 5353 및 NGC 5354 은하군 이미지. 이미지를 대각선으로 가로지르는 것은 Starlink 위성이 망원경의 시야를 통과할 때 남긴 흔적입니다. 출처: Victoria Girgis/Lowell Observatory
스타링크 위성 발사 후 처음 며칠 동안 60개의 위성이 비슷한 궤도에서 작동했습니다. 따라서 수많은 위성이 하늘을 일렬로 통과하는 현상을 지상에서도 볼 수 있다. 육안으로 볼 때 이들 위성의 밝기는 3등급 이상입니다. 위성마다 밝기가 다르며 위성의 밝기는 위성의 자세와 관련이 있습니다. 이들 위성은 비슷한 궤도를 갖고 있기 때문에 하늘의 같은 영역을 차례로 통과하게 된다. 망원경의 시야에 나타나면 그림 3에서 볼 수 있듯이 그 결과는 파괴적입니다.
그림 4 매니아가 자신의 SLR로 촬영한 위성 플래시. 출처: 게다가 일부 열성팬들은 이 위성이 '깜박이는' 모습을 촬영하기도 했습니다. 인터넷에 업로드된 동영상에서 이 애호가는 자신의 SLR을 사용하여 베가의 밝기를 초과하는 밝기로 연속적으로 깜박이는 긴 일련의 위성을 포착했습니다.
그림 5에서 가장 밝은 별은 베가이다. 출처: 이는 갑자기 천문학계에 동요를 일으켰습니다. 미래에 하늘이 그러한 위성으로 가득 차게 된다면, 천문학자들과 천문학 애호가들은 그것들을 전혀 관찰할 수 없을 것입니다.
IAU는 이러한 거대한 위성 네트워크가 천문 관측에 심각한 영향을 미칠 것이라고 성명을 발표했습니다. 스페이스X는 천문학자들의 의구심에 대해 당초 “위성은 매우 작아서 아무런 영향도 미치지 못할 것”이라고 밝혔으나 반대 의견이 커지자 “밝기를 줄이는 조치를 취하겠다”고 입장을 바꿨다. 후속 위성의." 2019년 11월 발사에는 위성의 밝기를 줄이기 위한 시도로 위성이 검게 변하는 것이 포함되었습니다. 그러나 흑화는 햇빛으로부터 많은 양의 열을 흡수하는 위성의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
또한 스타링크 위성은 Ku 및 Ka 주파수 대역에서 작동하며 이 대역의 전파 천문학 관측도 영향을 받을 수 있습니다. 위성의 작업 대역에는 중요한 수증기 스펙트럼 선이 포함되어 있기 때문에 많은 수의 위성 통신이 수증기에 대한 기상 위성 관측을 방해하여 일기 예보의 정확도가 떨어질 수도 있습니다.
침입자의 흔적
그렇다면 이 위성들은 우리 밤하늘에 어느 정도의 밀도로 나타나며, 우리의 천문 관측에 어떤 영향을 미칠까요? 저자는 간단한 계산을 했다. 12,000개의 위성을 연구 대상으로 삼고, 공개 데이터의 궤도 분포를 바탕으로 지상 관측자가 하늘에 보이는 위성의 수를 계산했다.
결과에 따르면 중위도 지역에는 고도 20° 이상의 하늘에 언제든지 100개 이상의 위성이 있는 것으로 나타났습니다. 북위 45도 부근에서는 그 수가 160개 이상에 이른다.
그림 6 12,000개의 위성을 연구 대상으로 삼아, 저자는 공개 데이터인 Blue의 궤도 분포를 바탕으로 지상의 다양한 위도에 있는 관측자가 하늘에 보이는 위성 수의 분포를 계산했습니다. 빨간색과 노란색은 각각 초기 커버리지, 최종 커버리지 및 2단계 LEO 위성을 나타냅니다.
그림 6에서 파란색은 발사된 550km 궤도 위성의 첫 번째 배치를 나타내고, 빨간색은 궤도가 1,000km 이상인 위성을 나타내며, 노란색은 저궤도 위성의 두 번째 단계를 나타냅니다. 동시에 고위도에서는 궤도 경사가 낮은 위성이 보이지 않는 것을 알 수 있다. 동시에 위도 35°~55° 위의 위성 밀도가 가장 높아 언제든지 120개 이상의 위성이 존재하며 최대 160개 이상의 위성.
하늘에 떠 있는 위성의 수는 기본적으로 하루 종일 안정적으로 유지되지만, 태양이 비추는 위성의 수는 태양의 위치와 관련이 있다. 예를 들어 북위 40°의 춘분과 추분 무렵에는 일몰 후 1시간 이내에 머리 위의 150개 위성이 모두 햇빛을 반사합니다. 천문 황혼의 끝 부분에 있는 발광 위성은 점차적으로 절반 정도만 남아 있습니다. 기본적으로 자정 전후 약 4시간 동안은 하늘에 발광 위성이 없기 때문에 이 기간 동안에는 천문 관측을 하는 것이 '안전'하다고 볼 수 있습니다.
그림 7. 북위 40도 부근의 봄과 가을 시즌에는 모든 스타링크 위성과 동일한 위치에서 하늘에 떠 있는 발광 스타링크 위성의 시간 변화.
북위 40°에서는 동지 기간 동안 더 오랜 시간 동안 하늘에 발광 위성이 없는 반면, 하지 기간에는 밤새도록 하늘에 발광 위성이 있습니다. 적도 근처 저위도의 경우 중위도보다 상황이 약간 더 좋으며 연간 변화가 명확하지 않습니다. 북극과 남극 지역의 경우 위성의 영향도 존재합니다. 예를 들어, 남극의 쿤룬 관측소에서는 극지방의 밤이 시작되면 밤새도록 수십 개의 위성을 볼 수 있고, 지역 동지에도 위성이 꽤 많이 보입니다.
에필로그
스타링크 위성이 궤도에 흩어졌을 때 하늘의 '오염'은 명백했습니다. 우리의 하늘이 완전히 사라지지는 않겠지만, 광학천문관측은 구석으로 밀려나 관측 가능 시간이 대폭 단축될 것이다. 많은 망원경을 한 번 노출하는 데 최대 15분이 걸릴 수 있으며, 이 기간 동안 위성이 사진에 침입하여 전체 사진이 실패할 가능성이 높습니다. 이러한 흔적을 알고리즘적으로 제거할 수 있는 것은 사실이지만 이러한 단계를 수행하면 필연적으로 그림에 눈에 보이지 않는 결함이 남게 되어 데이터를 더 이상 신뢰할 수 없게 됩니다.
그림 8 작가가 그린 스타링크 위성 분포의 개략도. 출처: SpaceX
스타링크 위성의 발사와 함께 이러한 '위성 열차'의 통과도 점차 사라지는 '이리듐 섬광' 현상에 버금가는 인기 있는 천문 현상이 되었습니다. 그러나 이리듐계에는 위성이 수십 개밖에 없고, 같은 위치에서 관측되는 이리듐 섬광의 빈도도 하루에 한 번 정도에 불과하다.
이리듐 별의 섬광 빈도가 수백 배 증가한다면 사람들이 이를 매우 다르게 볼까봐 두렵습니다.
'밤하늘을 가르는 '스타체인''에 대해 더 알고 싶다면 딥스페이스의 과학기술정보 칼럼을 계속해서 주목해주세요. 더 많은 기술 소식을 알려드립니다.
이 기사의 출처: Deep Space Games 편집자: Anonymous King of Hearts 2 시도하려면 클릭하세요.