Ztratíme noční oblohu, varují vědci. Ale svět je neslyší

Když v roce 2019 vycestovala na nízkou oběžnou dráhu (LEO) první konstelace komerčních satelitů, astronomy a astronomky překvapilo, jak výrazně „svítí“ na noční obloze, opře-li se do nich světlo ze Slunce.

Bylo to nemilé překvapení, které věštilo velké problémy. Jakékoliv uměle přidané světlo na oběžné dráze totiž znamená potenciální překážku pro pozorování objektů ve vesmíru.

Bylo jasné, že těchto překážek bude přibývat a velmi rychle se to začalo i dít. První várka komerčních satelitů čítala 60 kusů, ale během několika let jejich počet na LEO vzrostl více než stonásobně. Jen samotná síť Starlink společnosti SpaceX má aktuálně na orbitě už přes devět tisíc satelitů, přičemž celé tři tisíce přibyly jen za loňský rok.

Megakonstelace SpaceX má být kompletní, až dosáhne 42 tisíc kusů. Společnost Elona Muska přitom není v tomto byznyse jediná. Momentálně na ni připadají asi dvě třetiny veškerých komerčních satelitů a konkurenčních firem přibývá.

ESA loni odhadovala, že do roku 2030 bude na orbitě 100 tisíc satelitů. Odhad z roku 2023, sčítající veškeré oznámené projekty, zmiňuje až 400 tisíc někdy ve 30. letech tohoto století.

Aktuální součet všech oznámených projektů by byl ještě mnohem vyšší. Je to jasné i bez detailní rešerše a jako důkaz stačí jediný příklad – letos v lednu Muskova společnost oznámila, že podala žádost o vypuštění jednoho milionu satelitů pro separátní projekt vesmírných datových center.

Astronomové trend sledují s velkými obavami a bijí na poplach.

Zatím sice není vůbec jisté, jestli je Muskův nově oznámený projekt vůbec myšlený vážně, nebo jde jen o výkřik adresovaný především investorům. Zásadní narušení pozorování vesmíru kvůli komerčním satelitům nicméně astronomové očekávají i bez tohoto dodatečného milionu.

Muskův plán – a to i kdyby ve skutečnosti byl jen umělou senzací – navíc dobře poukazuje na jádro celého problému. Je jím totiž právě to, že soukromé společnosti od zahlcení oběžné dráhy zdržují primárně technické a ekonomické překážky a nikoliv regulace, které by braly v potaz „světelné znečištění“ a některé další problémy.

S vyhlídkou na pokračování snižování ceny výnosu materiálu na oběžnou dráhu a technologického pokroku obecně je pro astronomy tento stav velmi skličující.

Jak daleko to může zajít?

K odpovědi se můžeme přiblížit zmínkou o dalším nedávno oznámeném projektu. Firma Reflect Orbital chce do roku 2035 poslat do vesmíru 50 tisíc satelitů s velkými zrcadly a za peníze posílat světlo ze Slunce, kam jen bude potřeba (počítá se se solárními elektrárnami během noci).

Něco takového by ohrožení pro astronomii mohlo pozvednout na úplně novou úroveň.

Opět není jisté, jestli to vůbec může technicky fungovat. Žádost o povolení startu prototypu, plánovaného na příští měsíc, nicméně leží na stole americké Federální komise pro komunikace (FCC), která námitky vědců může (ale nemusí) vzít v potaz.

Dodejme, že v tomto případě kromě astronomů protestují i vědci z dalších oborů, kteří mluví například o zdravotních rizicích pro lidi kvůli narušení spánku nebo škodlivém dopadu na zvířata. Jde tedy o poněkud extrémní příklad, který nicméně dobře přibližuje, jak dynamický může rozvoj komerčních vesmírných aktivit být.

Národní agentury sice mají stanovenou řadu přísných regulací týkajících se bezpečnosti startů raket, technických vlastností satelitů a environmentálních hrozeb dole na Zemi (i tady jsou mezery, ale o tom až později), ale nikoliv světelného problému.

Například EU to plánuje změnit připravovaným Evropským vesmírným zákonem, ale funkční mezinárodní regulace neexistuje. Kdyby tedy například americký úřad nakonec povolil vyslání desítek tisíc zrcadel, která pak budou rušit noční tmu všude možně po světě, nikdo s tím z legálního hlediska nic neudělá.

Proč ale satelity vlastně tak překážejí pozorování vesmíru?

Má to tři hlavní důvody. Prvním je zjednodušeně řečeno „lezení satelitů do záběru“ teleskopů. Druhým je kumulativní osvětlování celé noční oblohy kvůli odrazům světla od satelitů a jejich trosek. Třetím důvodem je rušení pozorování radiových teleskopů.

První problém lze představit i názorně na příkladu dotčeného snímku z teleskopu:

Jak můžete vidět, jsou-li satelity zrovna osvícené Sluncem (záleží na výšce, ale většinou to bývá dvě hodiny po soumraku a dvě hodiny před rozbřeskem), můžou na snímcích udělat nežádoucí světelné pruhy (více reálných snímků třeba tady). Nejde přitom jen o estetickou vadu, která by se dala opravit ve Photoshopu. Snímek je pro vědce především zdrojem dat, a ta z poškozené části snímků už nelze dostat. Světelný šum způsobený satelitem neprůhledně překryje všechno, co je za ním.

Šance, že šum překryje něco důležitého, není velká, ale to nic nemění na tom, že dotčený snímek je částečně znehodnocený. Platí také, že uprostřed noci satelity osvícené nejsou, takže tam jsou pozorování nedotčena. Každý poškozený snímek a každé zkrácení možnosti pozorovat však pro astronomy představuje ztrátu.

„Škody, které satelit napáchá, se různí – od zvýšení šumu v obrázku přes falešné signály až po úplné zničení snímku,“ řekla Seznam Zprávám Soňa Ehlerová z Astronomického ústavu AV ČR, která má zkušenosti z Evropské jižní observatoře (ESO) v Chile.

Pro dalekohledy Evropské jižní observatoře existuje odhad, že při 80 tisících satelitů na oběžné dráze bude dotčeno asi 1 % snímků, s čímž se podle Ehlerové „dá smířit“, byť i to znamená zvýšení provozních nákladů. „Pro desetkrát větší počet satelitů, což bohužel není žádná utopie, už je to ale hodně špatné,“ dodala astronomka.

Tamní teleskop VLT (Very Large Telescope) navíc zdaleka nepatří mezi ty nejpostiženější. Těmi jsou tzv. přehlídkové dalekohledy s velkým zorným polem. Například největší z nich, Observatoř Very C. Rubinové, která začala fungovat teprve loni, má podle odhadů v okrajových hodinách už v současnosti poškozených 30 až 40 % snímků.

Z hlediska předmětu zájmu mezi nejpostiženější oblasti astronomie paradoxně patří pro lidi nesporně důležité pozorování komet a asteroidů blízkých naší planetě. „Vzhledem ke geometrii Sluneční soustavy se tyto objekty obvykle pozorují blízko obzoru ve směru Slunce, což je z hlediska satelitů zdaleka nejhorší místo. Pak jsou tu ale všechny ty ostatní obory astronomie, které sice nespadají do kategorie nejohroženějších, ale pořád budou přicházet o data,“ řekl Seznam Zprávám astronom z ESO Olivier Hainaut, který se mimo jiné zabývá i přímo studiem dopadu satelitů na astronomická pozorování.

V bezpečí před dopady satelitů nejsou ani dalekohledy na orbitě.

„Kontaminace se nebude týkat pouze teleskopů na oběžné dráze Slunce, jako je například James Webb. Ty jsou přitom extrémně nákladné a samy o sobě nemůžou poskytovat dost dat na to, aby mohl pokračovat pokrok v základních otázkách vědy, jako je objevování podstaty temné hmoty, temné energie, hledání mimozemského života nebo pátrání po asteroidech, které nás potenciálně mohou ohrozit,“ řekl SZ Alejandro Serrano Borlaff, astronom NASA a autor loni publikované studie hodnotící dopad na vesmírné teleskopy.

Práce došla k závěru, že pokud bude pokračovat tempo růstu počtu satelitů a někdy po roce 2040 dosáhne půl milionu, budou satelity narušovat 40 % snímků Hubbleova teleskopu a téměř všechny snímky vesmírných pozorovacích zařízení, jako je SPHEREx, ARRAKIHS a Xuntian.

Mechanismus je tady znovu jednoduchý – část komerčních satelitů se pohybuje ve větší výšce než teleskopy, takže jim „leze do záběru“ podobně jako pozemským satelitům.

Druhý problém je tak trochu skrytý, a možná proto se o něm ani tolik nemluví. Vědecké práce ale ukazují, že může mít velký vliv.

„Satelity a vesmírné smetí fungují jako difúzní zrcadlo rozptylující sluneční světlo. Výsledkem toho není jasně viditelný světelný pruh jako v případě satelitu, ale vyšší jasnost celého pozadí noční oblohy,“ popsal fenomén Miroslav Kocifaj ze Slovenské akademie věd a Univerzity Komenského, který vedl už dvě mezinárodní studie věnované tomuto problému.

První z nich v roce 2021 došla k závěru, že veškeré předměty na oběžné dráze, tedy všechny funkční i vyřazené satelity, zbytky nosných raket a další vesmírné smetí, pravděpodobně produkují tolik jasu, že noční obloha je asi o 10 % světlejší (20 μcd/m²) než přípustná kritická hranice stanovená pro pozemní observatoře Mezinárodní astronomickou unií (IAU).

Druhá studie publikovaná loni se zaměřila čistě na LEO a modelovala vývoj do roku 2035. Už v roce 2024 podle ní příspěvek umělých předmětů na LEO (tedy většinově komerčních satelitů) k světelnému znečištění byl někde mezi 3 až 8 μcd/m². Do roku 2035 má pak světelná kontaminace kvůli tisícům nových satelitů narůst na 19 μcd/m², takže už i samotná LEO bez započítání vyšší oběžné dráhy bude na hranici limitu IAU.

Práce zároveň vyzdvihla roli vesmírného smetí. „Jediný deseticentimetrový objekt se může rozpadnout na submilimetrové částečky, což může stonásobně zvýšit množství fotonů putujících k pozorovateli. Zásadní je, že toto se nezastaví, ani kdyby zítra přestaly všechny starty nových satelitů. Smetí, které už na oběžné dráze je, se může z důvodu vzájemných kolizí dál rozpadat na stále menší a menší částečky,“ vysvětlil Kocifaj.

Světlejší noční obloha pro astronomy znamená, že pro zachycení méně jasných vesmírných objektů potřebují delší expozice, což zvyšuje cenu pozorování a prodlužuje dlouhé „fronty“, ve kterých musí vědci a vědkyně čekat, než se teleskop dostane k jejich předmětu zájmu.

Kromě světla všechny satelity vyzařují směrem k Zemi i radiové signály, které radiovým teleskopům překážejí stejně jako světlo těm optickým.

Doba vysílání signálu na rozdíl od odrazu světla není závislá na Slunci a dá se operativně ovládat. Společnosti své satelity cíleně vypínají například nad americkou Národní radiovou klidovou zónou nebo konkrétními observatořemi. Na úplnou eliminaci znečištění pro teleskopy to ale nestačí.

Kontaminaci pozorování totiž způsobují i zjednodušeně řečeno zbytky rozptýleného radiového záření, které do klidových zón putují z míst, kde satelity ještě byly aktivní. I tady samozřejmě platí, že čím víc satelitů bude, tím větší to bude problém.

Nějaké způsoby mitigace se nabízejí i pro světelné znečištění. Například SpaceX už zkoušela problém korigovat tmavými nátěry nebo „stínidly“ pro své satelity. Vyvíjejí se také nové barvy, které by mohly odrazivost snížit ještě víc, a částečně může pomoci i snižování výšky, ve které se satelity pohybují.

Mitigace ale mají dva problémy. Jednak zatím nepomáhají dost, a co je možná ještě horší, dějí se jen z dobré vůle společností, které si jejich implementaci můžou kdykoliv rozmyslet. Připomeňme, že například americká firma AST SpaceMobile neměla problém v roce 2022 poslat do vesmíru prototyp satelitu BlueWalker 3, který se stal jedním z nejjasnějších objektů na celé noční obloze a dosáhl jasnosti přesahující doporučení více jak 400krát.

Dodejme, že astronomii samozřejmě ohrožuje i pozemské světelné znečištění. Zároveň i satelity mají svá další rizika nad rámec odrážení světla.

Obrovským tématem je i zvyšující se riziko srážek satelitů. Rychlost tohoto procesu dobře ilustruje projekt „CRASH clock“, který kontinuálně vypočítává, za jak dlouho by s nejvyšší pravděpodobností došlo na LEO ke srážce, kdyby se jim satelity aktivně nevyhýbaly. Zatímco v roce 2018 odhad činil 164 dní, teď už je to jen 3,8 dne. Není to přitom dáno jen vyšším počtem satelitů, ale i hromaděním vesmírného smetí, což je samo o sobě dalším velkým problémem nejen pro bezpečnost vesmírné infrastruktury.

Vědci v posledních letech varují také před možnými negativními dopady hoření velkého množství materiálu ze satelitů v atmosféře. Zatím k nim pravděpodobně nedochází, ale už roky probíhá seriózní diskuze na téma, že až budou v atmosféře hořet desítky tisíc tun kovů ročně, mohlo by to ve zkratce řečeno začít citelně měnit její chemické složení, narušovat ozonovou vrstvu a dokonce i měnit klima.

Na úplný konec si můžete přečíst pohledy jednotlivých astronomek a astronomů na budoucnost jejich povolání. Nenajdete v nich už další data a závěry studií. Jde o cíleně osobní výpovědi, které přibližují aktuální náladu lidí z oboru:

„Jsme na začátku konce pohledu na noční oblohu tak, jak ji známe. Postupně uvidíme víc umělých družic než hvězd. Nárůst vypouštěných satelitů může ohrozit kosmonautiku samotnou, a to množstvím srážek na oběžné dráze a s tím spojeným enormním nárůstem kosmické tříště a tedy ohrožení dalších startů,“ řekl Seznam Zprávám Pavel Suchan z Astronomického ústavu AV ČR.

„Skoro každé odvětví astronomie je nyní v ohrožení,“ odpověděl Borlaff.

„Jestli bude pokračovat současný trend bez nějaké zásadnější nové regulace, věřím, že za 20 let bude významná část pozemské pozorovací astronomie čelit vážnějším výzvám. Možným řešením tohoto problému do budoucna je snížení počtu nových satelitů,“ zněla odpověď Kocifaje.

„Už za několik let může být ohrožená celá astronomie. Teď ztrácíme velmi přibližně kolem 1 % dat při asi 10 tisících satelitů. Kdyby se počet zvýšil na jeden milion, mohlo by to být dramatické,“ obává se Hainaut.