위성 인터넷망, 즉 군집위성(satellite constellations)이 천문관측에 미치는 영향을 평가하다.

 

Credit:ESO/Y. Beletsky/L. Calcada

 

사진 1> 이 사진은 해가 뜨기 90분 전 ESO 파라날 천문대의 밤하늘을 담은 것이다. 

파란색 선은 지평선으로부터의 고도를 표시하고 있다. 

이번에 발표된 ESO 연구는 군집위성이 천문관측에 미치는 영향을 분석한 것이다. 

이에 따르면 여명기에 약 100여 개의 인공위성들이 맨눈으로도 볼 수 있을만큼 밝게 빛날 것으로 분석되었다.

이들 중 상당수는 고도 30도 이하의 저고도에 머무는 것으로 예측되었다. 사진에서 그 위치는 초록색 원으로 표시되어 있는데 이들은 대개 그리 밝지는 않을 것으로 예상된다. 

반면 붉은 색으로 표시된 점들은 30도 이상 고도에 머무르는 것으로 예측되는 위성들이다. 

이 부분은 천문관측 활동이 활발하게 이뤄지는 부분인데 더더군다나 이들은 상대적으로 밝은 3등급에서 4등급의 밝기를 유지한다. 

예를 들어 북극성의 밝기가 2등급이므로 3등급은 상당히 밝은 밝기라는 것을 짐작할 수 있을 것이다.(밝기 차이는 2.5배)

이렇게 관측을 방해하는 위성의 숫자는 한 밤으로 갈수록 위성들이 지구 그림자로 들어가기 때문에 줄어들게 된다. 

이러한 현상이 사진 왼쪽 어두운 부분으로 표현되어 있다. 이 부분에서는 위성들이 지구 그림자로 들어가 보이지 않는다. 

 

최근 천문학자들은 과학적 목적의 천체탐사에 있어 인공위성을 이용한 인터넷망 구축 계획인 메가군집위성(satellite mega-constellations)의 영향을 우려해왔다. 

ESO는 이러한 군집위성이 천체관측에 어떤 영향을 미칠지 제대로 분석하기 위해 이에 대한 연구를 의뢰하였다. 

이번 연구는 ESO의 여러 관측 기기들에 끼칠 영향을 초점을 맞추어 수행되었는데 특히 가시광선과 적외선 대역의 관측에 미치는 영향에 더더욱 초점이 맞추어져 있다. 

이번 연구는 스페이스X와 아마존, 원웹을 비롯한 업체들에서 추진하고 있는 18개의 대표적인 군집위성 프로그램을 대상으로 하였다. 

이들이 쏘아올릴 인공위성의 총 숫자는 무려 2만 6천 개를 상회하는 수준이다.[1] 

이번 연구 결과는 아스트로미앤아스트로피직스(Astronomy & Astrophysics.)에 개재될 예정이다. 

 

이번 연구 결과 ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)과 향후 설치가 계획되어 있는 초대형망원경(Extremely Large Telescope, 이하 ELT)과 같은 거대 망원경들이 군집위성에 의해 "중간 정도의 영향"을 받을 것으로 예견하였다. 

그 영향은 약 1,000초 이상의 장시간 노출에서 두드러지는데 특히 여명에서부터 해돋이사이, 해넘이에서 황혼사이의 여명기에는 관측 결과물 중 최고 3%정도가 영향을 받을 것으로 예견되었다. 

이보다 짧은 노출에는 영향이 덜해서 동일한 기준에서 받는 영향은 0.5% 이하일 것으로 예견되었다. 

밤 사이에 이뤄지는 관측에서 발생하는 영향은 이보다 더 줄어들 것으로 보인다. 

위성들이 지구 그림자에 가려져 햇빛을 반사하지 못하기 때문이다. 

이러한 과학적 사례분류를 기반으로 ESO 망원경들의 운영 스케줄을 변경한다면 영향을 줄일 수는 있을 것이다. 

물론 추가 비용이 소요될 것이다.[2]

영향을 줄이기 위한 효율적 대응으로서 산업적 측면에서 고려해 볼 수 있는 방법은 인공위성을 어둡게 만드는 것이다. 

 

특히 이번 연구에서는 대형 망원경들이 수행하는 광대역 관측이 가장 많은 타격을 받을 것임을 보여주었다. 

ESO의 관측설비는 아니지만, 예를 들어 미국국립과학재단의 베라 C.루빈 천문대의 관측 데이터를 기준으로 보자면  

1년 동안, 야간관측을 기준으로 단순 추정한 결과 30%에서 최고 50%에 이르는 "심각한" 영향을 받는 것으로 나타났다. 

또다른 전략들이 활발하게 연구되고는 있지만 군집위성의 영향을 줄이기 위해 ESO의 탐사장비에 적용할 수 있을만한 기술들은 베라 C.루빈 천문대에는 별 도움이 되지 않는 상황이다. 

이처럼 관측 데이터의 손상 및 이를 분석하는데 발생하는 복잡성에서 발생하는 과학적 의미를 완벽하게 이해하기 위해 추가 연구가 필요한 상황이다. 

루빈 천문대와 같은 광대역 탐사 망원경들은 매우 빠르게 하늘의 넓은 부분을 훑는 망원경들이다. 

이러한 망원경들은 초신성이나 지구위협소행성들을 찾아내는데 있어 핵심적인 역할을 수행한다. 

이러한 광대역 망원경들은 다른 망원경들을 위해 대상을 수색하고 많은 데이터를 양산해 낼 수 있는 독보적인 능력을 가지고 있어 유럽을 비롯한 세계 각 지역의 천문학 커뮤니티 및 천문정보탐사 관련 단체들은 향후 천문학 발전의 최우선 과제로 광대역 탐사 망원경들을 고려하고 있다. 

 

전문 천문학자들과 아마추어 천문학자들은 모두 메가 군집위성 계획이 순수한 밤하늘에 미칠 영향에 대해 일찍부터 우려를 표시해왔다. 

이번 연구 결과 약 1600개의 인공위성들이 지평선에서 중위도 대역까지 분포할 것으로 예측되었다. 

이들 중 대부분은 지평선에서 고도 30도 이내의 저고도에 머물게 된다. 

그리고 천문관측이 주로 이뤄지는 이보다 높은 고도에는 항상 약 250개의 위성이 있을 것으로 예측되었다. 

해뜰녘과 해질녘에는 이 모든 위성들이 태양빛을 반사하여 빛나게 되고 자정에 이르기까지 서서히 지구 그림자 속으로 들어가게 된다. 

 

 

Credit:ESO/L. Calcada

 

사진 2> 이 그림은 군집위성을 구성하는 인공위성 중 일부가 중위도에서 관측자에게 보이는 양상을 묘사한 것이다.

인공위성체가 눈의 띠는 조건은 관측자의 지평선 위에서 햇빛을 받고 있을 때이다.  

대부분의 위성들은 지평선 아래에 있거나 지구 그림자에 가려져 있다. 관측자의 입장에서 지구 그림자는 밤이 깊을수록 점점 밤하늘을 뒤덮는다. 

 

ESO의 연구 자료는 또한 이 위성들의 밝기를 추정하고 있다. 

추정 결과에 따르면 약 100개의 위성들은 황혼기에 맨눈으로도 볼 수 있을만큼 충분히 밝게 빛나게 되는데 이 중 10개가 30도 이상의 높은 고도에 있는 위성들이다. 

이러한 수치는 밤이 깊어갈수록 위성들이 지구 그림자로 들어가며 줄어든다.

전반적으로 이들 군집위성들은 30도 이상 고도에서 현재 밤하늘에 맨눈으로 보이는 인공 위성 수의 두 배에 달할 것으로 보인다.[3]

이 숫자에는 발사 직후 나타나는 인공위성의 발사 궤적은 포함되지 않은 수치이다. 

미사일 발사궤적은 상당히 밝고, 인상적이긴 하지만 해가 진후 잠깐, 아니면 해가 뜨기 전 잠깐 일순간 나타났다가 사라지는 장면일 뿐더러 지구에서 그 모습을 볼 수 있는 지역은 매우 제한되어 있다. 

 

ESO의 이번 연구는 간소화 기법 및 가정 기법을 사용하여 그 영향을 보수적으로 측정하였다. 

따라서 논문으로 발표된 영향은 실제 나타날 영향보다 축소되어 있을 수 있다.  

실제 나타날 영향을 좀더 정확하게 수치화하기 위해서는 좀더 섬세한 모델링이 필요하다. 

또한 이번 연구는 ESO가 보유하고 있는 망원경들에 초점을 맞추었지만 동일한 결과가 가시광선과 적외선으로 운용되는 다른 천체관측 장비에도 적용될 수 있다. 

 

군집위성은 라디오파 및 밀리미터파, 서브밀리미터 파장 관측에도 영향을 미칠 것이다. 

ESO의 경우 아타카마 거대 밀리미터/서브밀리미터 배열(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)과 아타카마 패스파인더 익스페러먼트 (the Atacama Pathfinder Experiment, APEX)가 해당된다. 

이 장비가 받을 영향은 추가 연구를 통해 규명될 것이다. 

 

ESO를 비롯한 많은 천문대들과 국제천문연맹(the International Astronomical Union, IAU), 미국천문학회(the American Astronomical Society, AAS), 영국왕립천문학회(the UK Royal Astronomical Society, RAS)와 여러 학회들은 우주의 평화적인 활용을 위한 UN 위원회(the United Nations Committee on the Peaceful Uses of Outer Space, COPUOS) 및 유럽전파천문학주파수위원회(the European Committee on Radio Astronomy Frequencies, CRAF)와 같은 포럼에서 이번 이슈에 대한 경각심을 높이기 위한 영향 측정을 진행하고 있다. 

또한 지상에 위치한 최첨단 천문 관측 설비들을 제작하는데 투여된 대규모 투자자산을 보호할 수 있는 실제적인 솔루션을 우주산업 관련 업체들과 함께 모색하고 있다. 

ESO는 인류가 지속적으로 우주를 바라보고 우주를 배울 수 있는 활동이 가능하다는 조건하에 지구 저궤도를 활용한 첨단 통신 기술의 발전이 가능하도록 규제장치의 협의를 적극적으로 지지하는 바이다. 

 

 

각주

[1] 인공위성의 총 수량을 포함하여 군집위성을 특징짓는데 필요한 변수들이 빈번하게 바뀌고 있다. 

이번 연구에서는 지구 주변을 공전하게 될 인공위성의 총 수량을 26,000개로 가정하였지만 그 수는 훨씬 더 늘어날 수 있다. 

 

[2] 군집위성의 영향을 줄이는 방법에는 다음과 같은 것들이 있다. 

우선 각 위성들의 위치를 컴퓨터에 입력하여 이들이 지나갈 경로에 있는 천체의 관측을 피할 수도 있을 것이다. 

또한 위성이 관측 지역을 지나갈 때 정교하게 셔터를 통제하여 문제를 피해갈 수도 있을 것이다.  

인공위성이 전혀 태양 빛을 반사하지 못하는 지구의 그림자 지역만을 관측할 수도 있다. 

하지만 이러한 방법들이 과학적 탐사가 필요한 모든 대상에 적용되는 완벽한 해결 방법은 되지 않는다. 

 

[3] 현재 지구 주위를 돌고 있는 구조체 중 10센티미터 이상의 크기를 가진 구조체는 약 34,000개에 달한다. 

이중 실제 작동중인 2,300개를 포함한 5,500개가 인공위성이다. 

나머지는 로켓의 상단 분리체와 인공위성 발사 어댑터를 비롯한 우주 쓰레기들이다. 

이중 약 2,000개는 언제 어디서든, 지평선 위에 떠 있는 상태이다. 

이중 약 5개에서 10개 정도 구조체가 여명기에 태양빛을 받아 맨눈으로 볼 수 있을만큼의 빛을 낸다. 

 

출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Organistion Release  2020년 3월 5일자 

       https://www.eso.org/public/usa/news/eso2004/

         

참고 : WFIRST를 비롯한 우주탐사선, 탐사장비에 대한 다양한 포스팅은 아래의 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
          https://big-crunch.tistory.com/12348025

 

원문>

eso2004 — Organisation Release

New ESO Study Evaluates Impact of Satellite Constellations on Astronomical Observations

5 March 2020

 

Astronomers have recently raised concerns about the impact of satellite mega-constellations on scientific research. To better understand the effect these constellations could have on astronomical observations, ESO commissioned a scientific study of their impact, focusing on observations with ESO telescopes in the visible and infrared but also considering other observatories. The study, which considers a total of 18 representative satellite constellations under development by SpaceX, Amazon, oneWeb and others, together amounting to over 26 thousand satellites [1], has now been accepted for publication in Astronomy & Astrophysics.

The study finds that large telescopes like ESO's Very Large Telescope (VLT) and ESO's upcoming Extremely Large Telescope (ELT) will be "moderately affected" by the constellations under development. The effect is more pronounced for long exposures (of about 1000 s), up to 3% of which could be ruined during twilight, the time between dawn and sunrise and between sunset and dusk. Shorter exposures would be less impacted, with fewer than 0.5% of observations of this type affected. Observations conducted at other times during the night would also be less affected, as the satellites would be in the shadow of the Earth and therefore not illuminated. Depending on the science case, the impacts could be lessened by making changes to the operating schedules of ESO telescopes, though these changes come at a cost [2]. on the industry side, an effective step to mitigate impacts would be to darken the satellites.   

The study also finds that the greatest impact could be on wide-field surveys, in particular those done with large telescopes. For example, up to 30% to 50% of exposures with the US National Science Foundation's Vera C. Rubin Observatory (not an ESO facility) would be "severely affected”, depending on the time of year, the time of night, and the simplifying assumptions of the study. Mitigation techniques that could be applied on ESO telescopes would not work for this observatory although other strategies are being actively explored. Further studies are required to fully understand the scientific implications of this loss of observational data and complexities in their analysis. Wide-field survey telescopes like the Rubin Observatory can scan large parts of the sky quickly, making them crucial to spot short-lived phenomena like supernovae or potentially dangerous asteroids. Because of their unique capability to generate very large data sets and to find observation targets for many other observatories, astronomy communities and funding agencies in Europe and elsewhere have ranked wide-field survey telescopes as a top priority for future developments in astronomy. 

Professional and amateur astronomers alike have also raised concerns about how satellite mega-constellations could impact the pristine views of the night sky. The study shows that about 1600 satellites from the constellations will be above the horizon of an observatory at mid-latitude, most of which will be low in the sky — within 30 degrees of the horizon. Above this — the part of the sky where most astronomical observations take place — there will be about 250 constellation satellites at any given time. While they are all illuminated by the Sun at sunset and sunrise, more and more get into the shadow of the Earth toward the middle of the night. The ESO study assumes a brightness for all of these satellites. With this assumption, up to about 100 satellites could be bright enough to be visible with the naked eye during twilight hours, about 10 of which would be higher than 30 degrees of elevation. All these numbers plummet as the night gets darker and the satellites fall into the shadow of the Earth. Overall, these new satellite constellations would about double the number of satellites visible in the night sky to the naked eye above 30 degrees [3].

These numbers do not include the trains of satellites visible immediately after launch. Whilst spectacular and bright, they are short lived and visible only briefly after sunset or before sunrise, and — at any given time — only from a very limited area on Earth.  

The ESO study uses simplifications and assumptions to obtain conservative estimates of the effects, which may be smaller in reality than calculated in the paper. More sophisticated modelling will be necessary to more precisely quantify the actual impacts. While the focus is on ESO telescopes, the results apply to similar non-ESO telescopes that also operate in the visible and infrared, with similar instrumentation and science cases. 

Satellite constellations will also have an impact on radio, millimetre and submillimetre observatories, including the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and the Atacama Pathfinder Experiment (APEX). This impact will be considered in further studies. 

ESO, together with other observatories, the International Astronomical Union (IAU), the American Astronomical Society (AAS), the UK Royal Astronomical Society (RAS), and other societies, is taking measures to raise the awareness of this issue in global fora such as the United Nations Committee on the Peaceful Uses of Outer Space (COPUOS) and the European Committee on Radio Astronomy Frequencies (CRAF). This is being done while exploring with the space companies practical solutions that can safeguard the large-scale investments made in cutting-edge ground-based astronomy facilities. ESO supports the development of regulatory frameworks that will ultimately ensure the harmonious coexistence of highly promising technological advancements in low Earth orbit with the conditions that enable humankind to continue its observation and understanding of the Universe.  

Notes

[1] Many of the parameters characterising satellite constellations, including the total number of satellites, are changing on a frequent basis. The study assumes 26,000 constellation satellites in total will be orbiting the Earth, but this number could be higher. 

[2] Examples of mitigation measures include: computing the position of the satellites to avoid observing where one will pass; closing the telescope shutter at the precise moment when a satellite crosses the field of view; and constraining observations to areas of the sky that are in Earth’s shadow, where satellites are not illuminated by the sun. These methods, however, are not suitable for all science cases. 

[3] It is estimated that about 34 000 objects greater than 10 cm in size are currently orbiting the Earth. Of these, about 5500 are satellites, including about 2300 functional ones. The remainder are space debris, including rocket upper stages and satellite launch adapters. About 2000 of these objects are above the horizon at any given place at any one time. During twilight hours, about 5–10 of them are illuminated by the Sun and bright enough to be seen with the naked eye. 

More information

The study, “On the impact of Satellite Constellations on Astronomical Observations with ESO Telescopes in the Visible and Infrared Domains”, by O. Hainaut and A. Williams, will appear in Astronomy and Astrophysics (https://doi.org/10.1051/0004-6361/202037501) and is available here and on ArXiv.

Links

• Science paper
• ESO announcement "Satellite Constellations and their Impact on Astronomy"
• IAU press release "Understanding the Impact of Satellite Constellations on Astronomy"
• AAS post "AAS Works to Mitigate Impact of Satellite Constellations on Ground-Based Observing"
• Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) "Impact on Optical Astronomy of LEO Satellite Constellations"

Contacts

Olivier R. Hainaut
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6752
Cell: +49 151 2262 0554
Email: ohainaut@eso.org

Andrew Williams
ESO External Relations Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 320 062 78
Email: awilliam@eso.org

Bárbara Ferreira
ESO Public Information Officer
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Tel: +49 89 3200 6670
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