Khi các nhà thiên văn học lần đầu tiên mơ về Đài quan sát Vera Rubin vào những năm 1990, bầu trời phía trên Cerro Pachón của Chile, nơi đặt máy quan sát sao, trông khác so với ngày nay.
Được rải rác hàng triệu ngôi sao, thiên hà và tinh vân, thỉnh thoảng mới có một vệ tinh đơn lẻ đi qua. Sau đó, chỉ vài năm trước khi đài quan sát dự kiến khánh thành, kỷ nguyên của siêu chòm sao đã bắt đầu, và các nhà thiên văn học thấy mình đang chạy đua để tìm cách bảo vệ hình ảnh của kính viễn vọng khỏi bị vệ tinh làm nhiễu. Họ không có nhiều thời gian.
Khi việc xây dựng đài quan sát trị giá 680 triệu đô la bắt đầu vào năm 2015, mọi thứ vẫn diễn ra theo đúng kế hoạch. Bốn năm sau, SpaceX phóng lô vệ tinh internet Starlink đầu tiên, tàu Starlink trở thành hiện thực và các nhà thiên văn học nhận ra rằng các vệ tinh, chỉ quay quanh Trái Đất cách mặt đất 340 dặm (550 km), quá sáng để không gây ảnh hưởng đến các quan sát của họ. Vera Rubin, nhờ trường nhìn rộng và độ nhạy đặc biệt, đã cảm nhận được sự hiện diện của chúng một cách đặc biệt sâu sắc.
"Tất cả các đặc điểm khiến Đài quan sát Vera Rubin trở nên tuyệt vời khi khảo sát toàn bộ bầu trời phía nam cũng có nghĩa là nó sẽ nhìn thấy rất nhiều vệ tinh này", Meredith Rawls, một nhà khoa học nghiên cứu của Khảo sát di sản không gian và thời gian của Đài quan sát Vera C. Rubin (LSST) và một nhà thiên văn học tại Đại học Washington, đã nói với Space.com.
Kính viễn vọng Vera Rubin, dự kiến sẽ mở mắt nhìn bầu trời vào cuối tháng này, có gương rộng 26 foot (8,4 mét), một trong những gương lớn nhất thế giới. Nó cũng được trang bị máy ảnh lớn nhất từng được chế tạo cho một kính viễn vọng thiên văn — một thiết bị rộng 5,4 foot (1,65 m), 3.200 megapixel với 189 máy dò CCD.
Kính viễn vọng sẽ có thể nghiêng gương để thay đổi góc nhìn bầu trời mỗi đêm để hoàn thành một cuộc khảo sát toàn bộ bầu trời ba ngày một lần. Trong mỗi lần quét qua vòm thiên thể, kính viễn vọng sẽ không chỉ chụp được vô số ngôi sao và các thiên hà xa xôi mà mắt người không nhìn thấy được, mà còn chụp được hàng nghìn vệ tinh sáng hơn hàng triệu lần so với những mục tiêu thiên văn quý giá đó. Và vấn đề này sẽ chỉ trở nên tồi tệ hơn theo thời gian.
Ban đầu, SpaceX nói về một chòm sao gồm 12.000 vệ tinh nhưng hiện đang có kế hoạch cho một đội tàu vũ trụ gồm 42.000 tàu vũ trụ. Các hoạt động băng thông rộng khác — như mạng Kuiper của Amazon và các dự án Guowang, Qianfan và Geespace của Trung Quốc — có ý định phóng hàng chục nghìn vệ tinh của riêng họ. Hiện tại, có khoảng 10.000 vệ tinh quay quanh Trái đất, nhưng con số này có thể tăng lên 100.000 trong thập kỷ tới nếu tất cả các kế hoạch đó thành hiện thực.
"Thật không may khi sự gia tăng lớn này [về số lượng vệ tinh] lại trùng với thập kỷ hoạt động của Vera Rubin", Rawls cho biết. "Thật đáng thất vọng khi chúng ta đưa một loạt thứ vào quỹ đạo và chúng đang cản trở tầm nhìn của chúng ta về vũ trụ."
Rawls đã làm việc cho dự án Đài quan sát Vera Rubin từ năm 2016, ban đầu là phát triển các thuật toán xử lý hình ảnh để lọc ra các lỗi của cảm biến máy ảnh và phát hiện các hiện tượng thiên thể bất ngờ như vụ nổ siêu tân tinh. Sự xuất hiện của Starlink và các đối tác của nó đã buộc cô phải tập trung lại. Ngày nay, cô phát triển các kỹ thuật để đánh dấu sự hiện diện của vệ tinh trong hình ảnh và phân biệt chúng với các vật thể quan tâm về thiên văn, bao gồm cả các tiểu hành tinh bay ngang qua.
Tuy nhiên, Rawls cho biết vấn đề vệt vệ tinh không phải là mối đe dọa tử vong đối với sứ mệnh khoa học của Vera Rubin. Cô mô tả vệt vệ tinh giống như "bọ trên kính chắn gió" vào một đêm hè, đôi khi che khuất tầm nhìn, nhưng không làm hỏng hoàn toàn.
"Đúng là một phần lớn các lần phơi sáng sẽ chứa vệt vệ tinh, nhưng trường nhìn rất lớn, vì vậy số lượng pixel thực tế bị ảnh hưởng là rất nhỏ", Rawls cho biết. "Nhiều nhất, [các vệt vệ tinh] rộng vài trăm pixel. Nhưng một máy dò duy nhất có 4.000 pixel và máy ảnh có 189 máy dò CCD theo dõi bầu trời."
Noelia Noël, giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học Surrey ở Vương quốc Anh, nói với Space.com rằng có tới 40% hình ảnh được kính viễn vọng Vera Rubin chụp trong sứ mệnh kéo dài 10 năm của nó dự kiến sẽ có các vệt trong đó.
"Nếu bạn chụp 10 triệu hình ảnh, hơn 4 triệu trong số đó có thể bị giảm chất lượng", Noël, người cũng tham gia dự án LSST của Vera Rubin, cho biết. "Đây là sự lãng phí tiền của người nộp thuế. Một đêm quan sát của Vera Rubin tốn khoảng 60.000 bảng Anh [khoảng 81.000 đô la]. Vì vậy, nếu bạn làm hỏng hình ảnh, thì tiền của bạn sẽ bị lãng phí."
Ngoài việc làm lu mờ các vật thể quan tâm hợp pháp, các vệ tinh này cũng có thể bị nhầm là các hiện tượng thiên thể thực sự. Ví dụ, vào năm 2021, một nhóm các nhà khoa học cho rằng một ngôi sao đã phát nổ trong thiên hà lâu đời nhất được biết đến khi họ quan sát thấy một sự sáng lên đột ngột trong các hình ảnh do Kính viễn vọng Keck ở Hawaii chụp. Sau đó, hóa ra là, khi các nhà thiên văn học hướng thiết bị của họ vào thiên hà, một mảnh vỡ đã bay qua trước trường dữ liệu ít ỏi của họ, phản chiếu ánh sáng mặt trời.
"Chúng tôi không muốn cung cấp cho mọi người một danh mục dữ liệu trong đó mỗi pixel được cho là một ngôi sao thực sự, rồi bất ngờ thay, một phần ba trong số chúng chỉ là những phát hiện sáng khi nó tình cờ nằm trong vệ tinh", Rawls cho biết.
Các thuật toán do Rawls và các đồng nghiệp của bà phát triển sẽ sử dụng phương pháp xếp chồng để so sánh nhiều hình ảnh của cùng một phần bầu trời nhằm phát hiện các điểm ngoại lệ và đánh dấu chúng. Nếu một vật thể sáng xuất hiện trong một hình ảnh và biến mất trong hình ảnh tiếp theo, thì nhiều khả năng đó là một vệ tinh bay qua hơn là một vụ nổ sao hoặc mờ đi, Rawls cho biết.
Các chòm sao lớn như Starlink chỉ là một phần của vấn đề. Vào năm 2022, công ty AST SpaceMobile của Mỹ đã bắt đầu triển khai một chòm sao vệ tinh BlueBird của mình — về cơ bản là các mảng ăng-ten khổng lồ, mỗi mảng bao phủ diện tích 693 feet vuông (64 mét vuông). Các vệ tinh này dự định cung cấp 5G qua vệ tinh trực tiếp cho người dùng điện thoại thông minh trên Trái đất, nhưng chúng cũng cực kỳ sáng. Trên thực tế, chúng sáng đến mức Kính viễn vọng Vera Rubin phải lên kế hoạch trước cho các lần chúng đi qua để tránh chúng, theo Rawls.
"Sẽ lãng phí 30 giây khi nhìn vào phần bầu trời đó với thứ siêu sáng đó đang đi qua", Rawls cho biết. "May mắn thay, hiện tại vẫn chưa có nhiều vệ tinh siêu lớn, siêu sáng như vậy. Nhưng tôi lo rằng điều đó có thể thay đổi trong những năm tới".
Vẫn chưa biết được bao nhiêu phần trong số những góc nhìn bầu trời quý giá của Vera Rubin sẽ bị che khuất bởi các vệ tinh đi qua và bao nhiêu kiến thức khoa học sẽ bị mất đi do hậu quả này. Rawls hy vọng rằng những nỗ lực làm tối vệ tinh, vốn đã được SpaceX thử nghiệm với hiệu quả hạn chế, cuối cùng sẽ thành công, giúp giảm thiểu ô nhiễm ánh sáng xuống mức tối thiểu.
Câu chuyện liên quan:
— Đài quan sát Rubin mới của Trái đất sẽ mở ra kỷ nguyên tiếp theo của các sứ mệnh không gian tiểu hành tinh
— Mù mắt vì ánh sáng: Các chòm sao vệ tinh lớn có hại như thế nào đối với thiên văn học?
— Các chòm sao lớn có thể phá hủy thiên văn học và không có cách khắc phục dễ dàng nào
Liên minh Thiên văn Quốc tế (IAU) trước đây đã kêu gọi các nhà sản xuất vệ tinh nỗ lực làm cho vệ tinh của họ vô hình với mắt thường — tương đương với cấp sao 7 trên thang đo độ sáng được sử dụng để đo độ sáng của các thiên thể. Thang độ lớn nghịch đảo với độ sáng thực tế và logarit, nghĩa là mỗi cấp độ tiếp theo mờ hơn cấp độ trước 2,5 lần. Cho đến nay, vệ tinh Starlink đạt điểm giữa cấp độ 3 và 5.
"Nếu các nhà điều hành vệ tinh có thể giữ phần cứng của họ trong giới hạn độ sáng của IAU, thì tác động đến thiên văn học trên mặt đất sẽ là tối thiểu", Rawls cho biết. "Trên thực tế, điều đó không xảy ra, vì thực sự rất khó để làm cho mọi thứ tối như vậy".
Tuy nhiên, một số tia hy vọng có thể xuất hiện ở phía chân trời. Công ty Surrey NanoSystems có trụ sở tại Vương quốc Anh gần đây đã giới thiệu một loại sơn không gian mới dễ thi công, chống chịu được môi trường khắc nghiệt của không gian và phản xạ rất ít ánh sáng để có thể đạt được độ giảm độ sáng cần thiết. Có thể nó sẽ sẵn sàng ngay lúc đó.
Được rải rác hàng triệu ngôi sao, thiên hà và tinh vân, thỉnh thoảng mới có một vệ tinh đơn lẻ đi qua. Sau đó, chỉ vài năm trước khi đài quan sát dự kiến khánh thành, kỷ nguyên của siêu chòm sao đã bắt đầu, và các nhà thiên văn học thấy mình đang chạy đua để tìm cách bảo vệ hình ảnh của kính viễn vọng khỏi bị vệ tinh làm nhiễu. Họ không có nhiều thời gian.
Khi việc xây dựng đài quan sát trị giá 680 triệu đô la bắt đầu vào năm 2015, mọi thứ vẫn diễn ra theo đúng kế hoạch. Bốn năm sau, SpaceX phóng lô vệ tinh internet Starlink đầu tiên, tàu Starlink trở thành hiện thực và các nhà thiên văn học nhận ra rằng các vệ tinh, chỉ quay quanh Trái Đất cách mặt đất 340 dặm (550 km), quá sáng để không gây ảnh hưởng đến các quan sát của họ. Vera Rubin, nhờ trường nhìn rộng và độ nhạy đặc biệt, đã cảm nhận được sự hiện diện của chúng một cách đặc biệt sâu sắc.
"Tất cả các đặc điểm khiến Đài quan sát Vera Rubin trở nên tuyệt vời khi khảo sát toàn bộ bầu trời phía nam cũng có nghĩa là nó sẽ nhìn thấy rất nhiều vệ tinh này", Meredith Rawls, một nhà khoa học nghiên cứu của Khảo sát di sản không gian và thời gian của Đài quan sát Vera C. Rubin (LSST) và một nhà thiên văn học tại Đại học Washington, đã nói với Space.com.
Kính viễn vọng Vera Rubin, dự kiến sẽ mở mắt nhìn bầu trời vào cuối tháng này, có gương rộng 26 foot (8,4 mét), một trong những gương lớn nhất thế giới. Nó cũng được trang bị máy ảnh lớn nhất từng được chế tạo cho một kính viễn vọng thiên văn — một thiết bị rộng 5,4 foot (1,65 m), 3.200 megapixel với 189 máy dò CCD.
Kính viễn vọng sẽ có thể nghiêng gương để thay đổi góc nhìn bầu trời mỗi đêm để hoàn thành một cuộc khảo sát toàn bộ bầu trời ba ngày một lần. Trong mỗi lần quét qua vòm thiên thể, kính viễn vọng sẽ không chỉ chụp được vô số ngôi sao và các thiên hà xa xôi mà mắt người không nhìn thấy được, mà còn chụp được hàng nghìn vệ tinh sáng hơn hàng triệu lần so với những mục tiêu thiên văn quý giá đó. Và vấn đề này sẽ chỉ trở nên tồi tệ hơn theo thời gian.
Ban đầu, SpaceX nói về một chòm sao gồm 12.000 vệ tinh nhưng hiện đang có kế hoạch cho một đội tàu vũ trụ gồm 42.000 tàu vũ trụ. Các hoạt động băng thông rộng khác — như mạng Kuiper của Amazon và các dự án Guowang, Qianfan và Geespace của Trung Quốc — có ý định phóng hàng chục nghìn vệ tinh của riêng họ. Hiện tại, có khoảng 10.000 vệ tinh quay quanh Trái đất, nhưng con số này có thể tăng lên 100.000 trong thập kỷ tới nếu tất cả các kế hoạch đó thành hiện thực.
"Thật không may khi sự gia tăng lớn này [về số lượng vệ tinh] lại trùng với thập kỷ hoạt động của Vera Rubin", Rawls cho biết. "Thật đáng thất vọng khi chúng ta đưa một loạt thứ vào quỹ đạo và chúng đang cản trở tầm nhìn của chúng ta về vũ trụ."
Rawls đã làm việc cho dự án Đài quan sát Vera Rubin từ năm 2016, ban đầu là phát triển các thuật toán xử lý hình ảnh để lọc ra các lỗi của cảm biến máy ảnh và phát hiện các hiện tượng thiên thể bất ngờ như vụ nổ siêu tân tinh. Sự xuất hiện của Starlink và các đối tác của nó đã buộc cô phải tập trung lại. Ngày nay, cô phát triển các kỹ thuật để đánh dấu sự hiện diện của vệ tinh trong hình ảnh và phân biệt chúng với các vật thể quan tâm về thiên văn, bao gồm cả các tiểu hành tinh bay ngang qua.
Tuy nhiên, Rawls cho biết vấn đề vệt vệ tinh không phải là mối đe dọa tử vong đối với sứ mệnh khoa học của Vera Rubin. Cô mô tả vệt vệ tinh giống như "bọ trên kính chắn gió" vào một đêm hè, đôi khi che khuất tầm nhìn, nhưng không làm hỏng hoàn toàn.
"Đúng là một phần lớn các lần phơi sáng sẽ chứa vệt vệ tinh, nhưng trường nhìn rất lớn, vì vậy số lượng pixel thực tế bị ảnh hưởng là rất nhỏ", Rawls cho biết. "Nhiều nhất, [các vệt vệ tinh] rộng vài trăm pixel. Nhưng một máy dò duy nhất có 4.000 pixel và máy ảnh có 189 máy dò CCD theo dõi bầu trời."
Noelia Noël, giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học Surrey ở Vương quốc Anh, nói với Space.com rằng có tới 40% hình ảnh được kính viễn vọng Vera Rubin chụp trong sứ mệnh kéo dài 10 năm của nó dự kiến sẽ có các vệt trong đó.
"Nếu bạn chụp 10 triệu hình ảnh, hơn 4 triệu trong số đó có thể bị giảm chất lượng", Noël, người cũng tham gia dự án LSST của Vera Rubin, cho biết. "Đây là sự lãng phí tiền của người nộp thuế. Một đêm quan sát của Vera Rubin tốn khoảng 60.000 bảng Anh [khoảng 81.000 đô la]. Vì vậy, nếu bạn làm hỏng hình ảnh, thì tiền của bạn sẽ bị lãng phí."
Ngoài việc làm lu mờ các vật thể quan tâm hợp pháp, các vệ tinh này cũng có thể bị nhầm là các hiện tượng thiên thể thực sự. Ví dụ, vào năm 2021, một nhóm các nhà khoa học cho rằng một ngôi sao đã phát nổ trong thiên hà lâu đời nhất được biết đến khi họ quan sát thấy một sự sáng lên đột ngột trong các hình ảnh do Kính viễn vọng Keck ở Hawaii chụp. Sau đó, hóa ra là, khi các nhà thiên văn học hướng thiết bị của họ vào thiên hà, một mảnh vỡ đã bay qua trước trường dữ liệu ít ỏi của họ, phản chiếu ánh sáng mặt trời.
"Chúng tôi không muốn cung cấp cho mọi người một danh mục dữ liệu trong đó mỗi pixel được cho là một ngôi sao thực sự, rồi bất ngờ thay, một phần ba trong số chúng chỉ là những phát hiện sáng khi nó tình cờ nằm trong vệ tinh", Rawls cho biết.
Các thuật toán do Rawls và các đồng nghiệp của bà phát triển sẽ sử dụng phương pháp xếp chồng để so sánh nhiều hình ảnh của cùng một phần bầu trời nhằm phát hiện các điểm ngoại lệ và đánh dấu chúng. Nếu một vật thể sáng xuất hiện trong một hình ảnh và biến mất trong hình ảnh tiếp theo, thì nhiều khả năng đó là một vệ tinh bay qua hơn là một vụ nổ sao hoặc mờ đi, Rawls cho biết.
Các chòm sao lớn như Starlink chỉ là một phần của vấn đề. Vào năm 2022, công ty AST SpaceMobile của Mỹ đã bắt đầu triển khai một chòm sao vệ tinh BlueBird của mình — về cơ bản là các mảng ăng-ten khổng lồ, mỗi mảng bao phủ diện tích 693 feet vuông (64 mét vuông). Các vệ tinh này dự định cung cấp 5G qua vệ tinh trực tiếp cho người dùng điện thoại thông minh trên Trái đất, nhưng chúng cũng cực kỳ sáng. Trên thực tế, chúng sáng đến mức Kính viễn vọng Vera Rubin phải lên kế hoạch trước cho các lần chúng đi qua để tránh chúng, theo Rawls.
"Sẽ lãng phí 30 giây khi nhìn vào phần bầu trời đó với thứ siêu sáng đó đang đi qua", Rawls cho biết. "May mắn thay, hiện tại vẫn chưa có nhiều vệ tinh siêu lớn, siêu sáng như vậy. Nhưng tôi lo rằng điều đó có thể thay đổi trong những năm tới".
Vẫn chưa biết được bao nhiêu phần trong số những góc nhìn bầu trời quý giá của Vera Rubin sẽ bị che khuất bởi các vệ tinh đi qua và bao nhiêu kiến thức khoa học sẽ bị mất đi do hậu quả này. Rawls hy vọng rằng những nỗ lực làm tối vệ tinh, vốn đã được SpaceX thử nghiệm với hiệu quả hạn chế, cuối cùng sẽ thành công, giúp giảm thiểu ô nhiễm ánh sáng xuống mức tối thiểu.
Câu chuyện liên quan:
— Đài quan sát Rubin mới của Trái đất sẽ mở ra kỷ nguyên tiếp theo của các sứ mệnh không gian tiểu hành tinh
— Mù mắt vì ánh sáng: Các chòm sao vệ tinh lớn có hại như thế nào đối với thiên văn học?
— Các chòm sao lớn có thể phá hủy thiên văn học và không có cách khắc phục dễ dàng nào
Liên minh Thiên văn Quốc tế (IAU) trước đây đã kêu gọi các nhà sản xuất vệ tinh nỗ lực làm cho vệ tinh của họ vô hình với mắt thường — tương đương với cấp sao 7 trên thang đo độ sáng được sử dụng để đo độ sáng của các thiên thể. Thang độ lớn nghịch đảo với độ sáng thực tế và logarit, nghĩa là mỗi cấp độ tiếp theo mờ hơn cấp độ trước 2,5 lần. Cho đến nay, vệ tinh Starlink đạt điểm giữa cấp độ 3 và 5.
"Nếu các nhà điều hành vệ tinh có thể giữ phần cứng của họ trong giới hạn độ sáng của IAU, thì tác động đến thiên văn học trên mặt đất sẽ là tối thiểu", Rawls cho biết. "Trên thực tế, điều đó không xảy ra, vì thực sự rất khó để làm cho mọi thứ tối như vậy".
Tuy nhiên, một số tia hy vọng có thể xuất hiện ở phía chân trời. Công ty Surrey NanoSystems có trụ sở tại Vương quốc Anh gần đây đã giới thiệu một loại sơn không gian mới dễ thi công, chống chịu được môi trường khắc nghiệt của không gian và phản xạ rất ít ánh sáng để có thể đạt được độ giảm độ sáng cần thiết. Có thể nó sẽ sẵn sàng ngay lúc đó.
