Megakonstellationen vs. Astronomie: viele Fragen

Vor 15 Monaten brach das Problem der Megakonstellationen von Satellitenschwärmen im niedrigen Erdorbit mit dem Start der ersten 60 Starlink-Satelliten über die herzlich unvorbereitete Astronomenwelt hinein, aber erst seit diesem (Früh-)Jahr wird die Problematik allmählich systematisch verstanden, wie in Artikeln vom Mai, Juni, Juli und August anhand von Dokumenten und zwei großen Tagungen bereits ausführlich dargestellt wurde.

Am 25. August nun wurde das Papier Impact of Satellite Constellations on Optical Astronomy and Recommendations Toward Mitigations vorgelegt und auf einer virtuellen Pressekonferenz vorgestellt, das aus einem virtuellen Workshop der National Science Foundation der USA und der American Astronomical Society vor zwei Monaten hervorgegangen war, in den wiederum Papiere von vier Arbeitsgruppen im Vorfeld eingeflossen waren. Die wesentlichen Erkenntnisse gehen nicht über das hinaus, was bereits auf den o.g. Tagungen präsentiert worden war, aber manch interessantes Detail ist hinzu gekommen. Andererseits sind auch erhebliche Mängel bzw. Desiderata unübersehbar: So lagen den Autoren verblüffend wenig handfeste Daten zu den Helligkeiten der Starlinks unter verschiedenen geometrischen Bedingungen (und insbesondere seit Einleitung der offenbar erfolgreichen Maßnahmen zur Reduktion ihrer Helligkeit) vor, für Simulationen wurden gern besonders krasse Szenarien mit zehntausenden Satelliten mehrerer Unternehmen angenommen, an deren Realismus es einige Zweifel gibt, und die Wirkung von Satellitenspuren auf astronomische Sensoren und die Konsequenzen daraus für die Forschung sind meist bestenfalls qualitativ verstanden.

Dies jedenfalls sind die zentralen Forderungen der Autoren, eins von 43 Slides der Pressekonferenz, wobei Option 1 natürlich ironisch gemeint ist. Und man ist sich zugleich sicher, dass keine Kombination realistischer Gegenmaßnahmen – auf Seiten der Satelliten-Betreiber wie der Sternwarten – „den Impakt von Satelliten-Konstellationen auf die optische und IR-Astronomie eliminieren“ kann. (Wobei allerdings zu fragen wäre, um welchen Faktor der Schaden in unterschiedlichen Szenarien des Aufbaus der Megakonstellationen gegenüber dem Ist-Zustand vor dem Beginn der Starlink- und OneWeb-Starts steigt, denn seit 1957 ist ja auch schon so einiges im Orbit platziert worden. Oder wie sich die Aussichten ändern, wenn zwar zehntausende Satelliten starten aber allesamt aktiv verdunkelt werden können.)

Entscheidend für die Verringerung der Folgen ist eine enge Zusammenarbeit mit den Betreibern der Satelliten: Die mögen deren Gestalt und Bahnen im Hinblick auf die Astronomie optimieren und immer genau sagen, wo jeder Satellit ist, so dass die Sternwarten umgekehrt ihr Erscheinen im Gesichtsfeld vorhersagen und sie in den Daten maskieren können. Wenn die Satelliten nicht heller als 7 mag. sind, ist letzteres auch beim am schwersten betroffenen Vera Rubin Observatory (mit Riesengesichtsfeld bei extremer Empfindlichkeit) möglich, da dann zumindest keine Geisterbilder der Satelliten-Trails in der Optik mehr auftreten. Aber die von den Trails selbst betroffenen Pixel sind natürlich für diese Aufnahme verloren, und das läppert sich!

Es folgten noch 10 spezifische Empfehlungen, von der Entwicklung an alle Sternwarten zu verteilender Software zur Optimierung von Beobachtungsplänen zwecks aktiver Vermeidung von Satelliten im Feld und zur kontrollierten Entfernung von Satelliten-Trails über bessere Simulationen der durch solche Maskierung entstehenden Probleme für die Datenanalyse, die Forderung an alle Satelliten-Betreiber, die Grundhelligkeit auf 7 mag. zu drücken, Flares zu vermeiden und kontinuierlich hochpräzise Bahninformationen zur Verfügung zu stellen, bis zum Aufbau eines Beobachtungsnetzwerks für die Satelliten, um endlich die Datengrundlage zu verbessern.

Dass die Helligkeit von Satelliten von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, zeigt dieses Histogramm von 281 V-Helligkeitsmessungen von Starlinks Ende Mai und Anfang Juni 2020 mit einem automatisch agierenden 18-cm-Astrografen in Arizona (Anzahl der Satelliten pro Bin gegen die Helligkeit in mag.): Der Mittelwert ist 5.5 mag., es sind ja alles noch Visor-lose, aber die Standardabweichung beträgt immerhin 1.0 mag. und die gesamte Streubreite ist noch viel größer.

Hier sind 26 V-Messungen von Starlinks an einem Abend gegen die Sonnen-Elongation aufgetragen: Sie ist nur einer von einer ganzen Reihe Faktoren, die die Helligkeit eines Satelliten am Himmel bestimmen – weshalb für genaue Modellierungen und Maßnahmen-Planung wesentlich mehr Messungen unter allen erdenklichen Umständen benötigt werden. Da können und sollen sich natürlich auch Amateurastronomen einbringen (ein paar aktuelle Datenpunkte aus der Satelliten-Szene), wobei es bislang aber weder vereinheitlichte Messprotokolle noch eine zentrale Datensammelstelle gibt.

Da die Satelliten auf ihren niedrigen Bahnen rasant am Himmel unterwegs sind, bis 0.8°/Sek, schnell, wird ihr auf den Detektor projiziertes Licht natürlich dramatisch „verdünnt“: Diesen Effekt versucht dieses Diagramm zu demonstrieren, für das ein unverdunkelter Starlink – mit angenommenen 5.5 mag. in 550 km Höhe – mit einer Bogensekunde Auflösung betrachtet wird. Je nach Belichtungszeit (4 Kurven) und Bahnhöhe (x-Achse in km) erscheint dieser Satellit um 10 bis 15 Größenklassen schwächer als wenn er fest am Himmel stände. Diesen enorm für die Astronomie arbeitenden Effekt für eine konkrete Optik und Aufnahme-Situation zu berechnen, ist allerdings nicht trivial. (Aber der Impakt für Nightscape-Fotografen durch 7-mag.-Satelliten dürfte minimal sein, auch wenn es viele sind.)

Mit diesen enormen Satellitenzahlen wurde in den Simulationen für den Workshop operiert: Wie realistisch insbesondere die fast 50’000 von OneWeb sind (die zwar bei der FCC beantragt worden sind, aber auf der Webseite des Herstellers der Satelliten ist nur von „up to 900 low-earth orbit satellites“ die Rede), die wegen ihrer höheren Bahnen besonders lange im Sonnenlicht blieben und so den Schaden vergrößern würden, ist nicht zuletzt angesichts der Turbulenzen um die Firma kaum zu sagen.

Aber man kann ja mal los rechnen: Hier sind 47’844 One-Web-Satelliten in 1200 km Höhe auf drei Bahnneigungen angenommen, 88° (ganz unten), 55° (orange) und 40° (blau), wobei letzere zur Summe (gelb) am meisten beisteuern. Aufgetragen ist hier die Zahl der Satelliten gleichzeitig am Himmel höher als 30° über dem Vera Rubin Observatory in einer chilenischen Sommernacht, wobei die roten Linien Ende bzw. Anfang der astronomischen Dämmerung markieren: Auch um Mitternacht zögen noch 500, näher an der Dämmerung gar 1000 Satelliten über den Himmel, zwar für’s bloße Auge wohl nicht sichtbar, dafür aber für das VRO um so mehr. Nahe und in der Dämmerung wären LEO-Satelliten aller Konstellationen überall und immer ‚bestens‘ von der Sonne beleuchtet, so dass Beobachtungen, die aus Gründen in Sonnennähe stattfinden müssen, besonders betroffen sind: zu den Papieren auch Press Releases von NSF, ESO und IDA (die die schnelle Bewegung der Satelliten übersehen zu haben scheint) und gute bis grottenschlechte Zusammenfassungen der Pressekonferenz hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier und hier [NACHTRÄGE: und hier und hier]. Derweil hat OneWeb gestern eine FCC-Lizenz für noch mehr Satelliten bekommen, nämlich 1280 Stück in 8500 km Höhe (mehr, mehr und mehr) – und noch drei frühere Artikel zu Amazon/Kuiper, OneWeb und SpaceX, die in den kommenden Tagen das 12. Satellitenpaket (mit jetzt wieder 60 Stück und keinen Co-Passagieren) starten wollen. Während übrigens die Versenkung der V0.9-Satelliten des ersten Starts munter voran schreitet, wobei sie offenbar nochmal ganz besonders hell leuchten können …

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