人工衛星が宇宙画像を妨害し続ける。天文学者は解決策を模索している

ハッブル宇宙望遠鏡の視野を無数の衛星が横切り、宇宙写真に傷のような跡を残し、科学者の研究を妨げています。太陽光を反射し、天体を模倣するこれらの衛星の群れは、夜空を徐々に変化させ、天文学の手法に影響を及ぼす恐れがあります。 

「ハッブル宇宙望遠鏡科学研究所の天文学者デイビッド・スターク氏は、先週ニューメキシコ州アルバカーキで開催されたアメリカ天文学会で、「ハッブル宇宙望遠鏡のデータだけでなく、すべての天文学データで、こうした衛星の航跡が見られ、少々厄介な存在です」と述べた。実際、同氏のチームは新たな検出方法を用いて、衛星の航跡の速度が 倍増していることを測定したという。しかしスターク氏が提示したのは、応急処置的な解決策、つまり最近の報告書で説明されている、従来のソフトウェアよりも5～10倍も航跡の検出感度が高く、その後それをマスクする新しいソフトウェアのことだ。「このソフトウェアは、目視では見逃しがちな衛星の航跡を見つけるのに特に優れています」と同氏は語った。

天文学者にとって、ハッブル宇宙望遠鏡のカメラ検出器に当たる宇宙線の影響や、明るい星を十字のように見せる回折スパイクといった「アーティファクト」を画像から除去するのは標準的な手順だ。時折、近くの天の川銀河の厄介な恒星が、遠くの天体の視界を遮ることもある。「中央ラドン変換」と呼ばれるこの新技術は、画像上のあらゆる角度から、あらゆる線状の軌跡を調べる。特定の軌跡が衛星の航跡と一致すると、システムは平均放射量（つまり、1ピクセルにおける特定の波長における輝度）からの偏差を記録する。これは、一見何もないように見える空の範囲で測定されたものだ。この技術は短い線も検出できるが、それらはカバーするピクセル数が少ないため、識別するにはわずかに明るくなければならない。 

このソフトウェアを使うことで、天文学者は衛星の航跡をマスクし、影響を受けたピクセルをデータ解析で無視することができます。まるで、本の誤植のあるページを折り曲げて、残りの部分を読み飛ばすようなものです。

しかし、これらのページは失くさない方が良いでしょう。同じ視野に複数の露出写真がある場合、天文学者は追加のソフトウェアツールを使って、最終的な合成画像からその線を完全に除去することができます。こうすることで、空のその部分は本来あるべき姿に戻りますが、その線のピクセルの信号対雑音比は、衛星がその日に望遠鏡の前を全く通過しなかった場合よりも低くなります。スターク氏と彼のチームは、自らが管理する「acstools」と呼ばれる標準ソフトウェアパックにコードを組み込んでいます。

しかし、この修正には大きな限界がある。地球から332マイル（約530キロメートル）上空を周回するハッブル宇宙望遠鏡向けに設計されたもので、地上の天文台ほど衛星の縞模様に悩まされることはない。一方、広視野撮影が可能な地上設置型の光学望遠鏡は、多重露光撮影を行わないことが多いため、はるかに大きな影響を受ける可能性がある。例えば、チリのセロ・トロロ米州天文台やアリゾナ州のローウェル天文台などの望遠鏡で撮影された画像に衛星が写り込む事例が既にいくつか発生している。

待ちに待った全米科学財団（NSF）の資金提供によるベラ・ルビン天文台にとって、この問題ははるかに深刻になるだろう。同天文台はチリのアンデス山脈に建設中で、来年から撮影を開始する予定だ。同天文台の極めて高感度なカメラは、超新星爆発を起こす恒星や地球近傍小惑星といった、微かで変化を続ける天体を検出し、そのような天体を発見すると天文学者に自動的に警告を送信する。しかし、ルビン共同研究チームは、衛星や軌道上の宇宙ゴミからの反射光による誤報の可能性を懸念しており、撮影画像の最大30%が衛星の縞模様の影響を受ける可能性があると警告している。例えば、衛星から放出された小さな断熱材に反射した太陽光が、望遠鏡の画像にフレア星のように見える可能性がある。「天文学者が光のスペクトルも測定できない限り、誤報に惑わされる可能性があります」と、最近、低軌道天体による光害に関する研究論文を執筆したアリゾナ州ツーソンの天文学者、ジョン・バレンティン氏は述べている。

二つ目の問題は、衛星の軌跡の数が増えていることです。スターク氏は、ハッブル宇宙望遠鏡の高性能探査カメラ（ACC）から20年間のデータでソフトウェアをテストしました。衛星の軌跡の明るさは変わっていないものの、その頻度はほぼ倍増しています。2002年にハッブル宇宙望遠鏡で撮影されたデータでは、3～4時間ごとに軌跡が見つかりました。しかし、2022年には、1～2時間ごとに衛星がハッブル宇宙望遠鏡を写し込んでいます。つまり、20年前に撮影された画像の5%が影響を受けていたのに対し、現在では約10%にまで減少しています。 

ドイツ・ミュンヘンにあるマックス・プランク地球外物理学研究所の天文学者、サンドル・クルク氏は、この割合は確実に上昇し続けるだろうと述べている。「時間の経過とともに、画像に現れる筋は増えていくでしょう。観測所の上空にある衛星の数に比例して増えるのです」と、クラウドソーシングによる分類と機械学習を用いて画像に映る衛星の軌跡を追跡した最近の研究の筆頭著者であるサンドル・クルク氏は述べている。

クルック氏と彼の同僚は、過去20年間で約2.5%から5%に上昇するという、より低い割合を観察しました。彼らは、この傾向が2018年頃から急速に高まっていることを発見しました。これは、企業が数百、数千もの衛星をネットワークで接続するメガコンステレーションを展開し始めた頃とほぼ同時期です。（スターク氏とクルック氏は、それぞれの研究で異なる割合が用いられた理由は、測定手法の違いにあると考えています。）

これらのメガコンステレーションは、事業者にとって明らかなメリットがあります。衛星は小型化されているため、製造・打ち上げコストが安く、ネットワーク化されたサービスは宇宙天気や対衛星兵器などによる妨害を受けにくいからです。SpaceXのStarlinkは、軌道上に約4,000基の衛星を擁し、現在最大の衛星ネットワークを構成しています。今後、42,000基に増やす計画です。OneWebのコンステレーションは600基以上の衛星を擁していますが、より高い軌道に配置されているため、天文観測への影響は軽減されています。また、Amazonは今夏、Project Kuiperの打ち上げを予定しており、ユナイテッド・ローンチ・アライアンスのバルカン・ケンタウルスロケットの初打ち上げで、同社初のブロードバンドサービス提供衛星を打ち上げます。同社は、このコンステレーションに3,000基以上の衛星を搭載する計画です。

SpaceXをはじめとする複数の企業は、衛星を薄いフィルムで覆って光の反射を抑えたり、バイザーを追加して地球からの光を反射させたりするといった解決策を検証してきた。しかし、これらの限定的な取り組みは国際天文学連合（IAU）の明るさ目標を大きく下回っており、一部の設計は衛星自体に過度の発熱や衛星間通信の妨害といった問題を引き起こしている。

NASAは民間パートナーと協力してハッブル宇宙望遠鏡をより高い軌道に打ち上げる構想を描いていますが、この計画は写真に写り込む問題を意図せず軽減するかもしれません。大気抵抗によって探査機は徐々に地球に近づいています。地球に近づけることで寿命を延ばすことが狙いですが、同時に通過する衛星の一部から遠ざかることにもなります。

こうしたことは、地球上の観測所にとって何ら問題を解決するものではない。なぜなら、すべての衛星軌道を含む大気圏全体を観測しなければならないからだ。バレンティン氏は、企業がまだ技術的な解決策を見つけていないにもかかわらず、衛星打ち上げの活発なペースが鈍化していないことを懸念している。「産業界の人々はイノベーションに揺るぎない信念を持っています」と彼は言う。「そして、私はこう答えます。科学技術と環境の歴史は、私たちが理解していなかった技術に突っ込み、多くの悪影響をもたらした事例で溢れているのです。」