Laut dieser Studie sollte die Zahl der lichtschwachen, mit bloßem Auge unsichtbaren Satelliten in der Erdumlaufbahn 100.000 nicht überschreiten, um unsere Fähigkeit zu bewahren, den Nachthimmel mit modernen Teleskopen zu beobachten. Diese Studie ist die erste, die bewertet, inwieweit große und sehr helle Satellitenkonstellationen – die auch Bedenken hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt hervorrufen – astronomische Beobachtungen beeinträchtigen würden, indem sie den Nachthimmel aufhellen.
Eine Stunde Satellitenbilder über dem nördlichen Atacama-Wüste in Chile (Bildnachweis: F. Kamphues, ESO/M. Kornmesser)
Seit 2019 ist die Zahl der Satelliten in der Erdumlaufbahn rapide angestiegen und liegt heute bei über 14.000 [1] – hauptsächlich Starlink-Kommunikationssatelliten von SpaceX. Auch die Satellitenprojekte haben sich sowohl in der Anzahl als auch in Bezug auf die potenziellen Auswirkungen vervielfacht. "Bislang ist es uns gelungen, die Situation in den Griff zu bekommen, aber sie wird schlimmer", betont Olivier Hainaut, der an der Ausarbeitung von Empfehlungen zur Minderung der Auswirkungen von Satellitenkonstellationen auf die Astronomie beteiligt war.
Während Unternehmen wie SpaceX Maßnahmen ergriffen haben, um die Helligkeit ihrer Satelliten zu verringern, überschreiten die derzeitigen Satellitenprojekte "die Grenzen" dessen, was die Astronomie verkraften kann, erklärt er. Olivier Hainaut, seit über 30 Jahren Astronom an der ESO, ist Autor einer begutachteten Studie über die Auswirkungen von Satellitenkonstellationen, deren Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics angenommen wurde.
SpaceX plant, eine Million weitere Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, die für Weltraum-Rechenzentren bestimmt sind, was das Erscheinungsbild des Himmels erheblich verändern würde. Die neue Studie zeigt, dass während eines Großteils jeder Nacht Hunderte von Satelliten sichtbar wären und zu bestimmten Zeiten bis zu mehrere Tausend – eine Zahl, die mit der von Sternen vergleichbar ist, die unter guten Bedingungen mit bloßem Auge beobachtet werden können. Andere geplante Satellitenkonstellationen wie "Cinnamon" von E-Space und die chinesischen Konstellationen CTC-1 und CTC-2 würden weitere Hunderttausende von Satelliten in die Umlaufbahn bringen und das Problem verschärfen.
Reflect Orbital, ein US-amerikanisches Start-up, hat sich zum Ziel gesetzt, eine Konstellation sehr großer, spiegelähnlicher Satelliten zu starten, um nachts Sonnenlicht zu liefern, und zwar mithilfe reflektierter Strahlen, die sich über mindestens fünf Kilometer auf der Erdoberfläche erstrecken. Das Unternehmen plant, in diesem Jahr zunächst einen Prototyp-Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen und die Zahl seiner Satelliten bis 2035 auf 50.000 zu erhöhen. Diese Satelliten wären die hellsten, die je in die Umlaufbahn gebracht wurden, was negative Auswirkungen auf die Qualität des Nachthimmels auf der Erde hätte.
Die Berechnungen von Olivier Hainaut zeigen, dass die vollständige Konstellation den Nachthimmel mit Hunderten von sehr hellen Satelliten füllen würde. Von innerhalb eines reflektierten Strahls aus gesehen, erschiene der das Sonnenlicht streuende Satellit viermal heller als der Vollmond. Selbst wenn kein Satellit seinen Strahl direkt auf einen Beobachter richten würde, wäre jeder so hell wie der Planet Venus, der "Morgenstern". Von einer von Lichtverschmutzung betroffenen Stadt wie München in Deutschland aus wären diese Hunderten von Satelliten die einzigen im Nachthimmel sichtbaren "Sterne".
Diese Projekte, zusammen mit anderen in der Studie untersuchten, würden den Nachthimmel erheblich aufhellen und damit die Fähigkeit der Menschheit behindern, lichtschwache kosmische Ziele zu beobachten, darunter entfernte Galaxien, einige erdähnliche Planeten, die um andere Sterne kreisen, und sogar potenziell für die Erde gefährliche Asteroiden.
Helle Streifen und ein noch hellerer HimmelOlivier Hainaut erklärt, dass "die Satelliten, die von der Sonne beleuchtet werden, viel heller sind als entfernte Galaxien. Wenn ein Satellit vor dem vorbeizieht, was wir beobachten, hinterlässt er eine helle Spur auf unserem Bild und verdeckt alles, was sich dahinter befindet."
Um die Auswirkungen dieses Phänomens und anderer Effekte von Satellitenkonstellationen auf astronomische Beobachtungen zu bewerten, simulierte Olivier Hainaut die Positionen, Bewegungen und Helligkeiten aller bestehenden und geplanten Satellitenkonstellationen.
In Bezug auf die Mega-Konstellation von SpaceX-Satelliten stellte er fest, dass auf jedem Bild, das zwei Stunden nach Beginn der Nacht mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO am Paranal-Observatorium in Chile aufgenommen wurde, Dutzende von Spuren erschienen, was einem Verlust des Sichtfelds von bis zu 28 % entsprach [2]. Diese Berechnung geht davon aus, dass die Satelliten schwach genug wären, um unter guten Bedingungen mit bloßem Auge nicht sichtbar zu sein. Wären sie auch nur geringfügig heller, wären einige Instrumente noch stärker betroffen: Beispielsweise könnte eine Kamera wie die des Vera-C.-Rubin-Observatoriums der US-amerikanischen National Science Foundation die meisten ihrer Bilder mehrere Stunden pro Nacht unbrauchbar machen [3].
Die Simulationen von Olivier Hainaut gingen davon aus, dass kein Satellit von Reflect Orbital seinen Strahl direkt auf ein Observatorium oder in dessen Nähe richten würde. Selbst dann könnte die Spur eines einzelnen Spiegelsatelliten eine Beobachtung mit einer Kamera wie der des Rubin-Observatoriums verderben. Sobald die gesamte Flotte der Reflect-Orbital-Satelliten in der Umlaufbahn wäre, wären alle mit einer solchen Kamera aufgenommenen Bilder verloren, wenn die Satelliten von der Sonne beleuchtet werden.
Es sind jedoch nicht nur die sich kreuzenden Flugbahnen der Satelliten, die das, was wir beobachten können, einschränken: Ihr Licht kann den gesamten Himmel verschmutzen. Satelliten, die zu schwach sind, um direkt gesehen zu werden, erzeugen einen Schleier aus "diffusem" Licht, während das Licht hellerer Satelliten beim Durchgang durch die Atmosphäre in alle Richtungen "gestreut" wird. Beide Phänomene erhöhen die Gesamthelligkeit des Nachthimmels. Diese Studie ist die erste, die die Auswirkungen des Beitrags von Satellitenkonstellationen zur Himmelshintergrundhelligkeit auf die Astronomie untersucht und damit das volle Ausmaß der durch Satelliten verursachten Lichtverschmutzung aufzeigt.
Besonders helle Konstellationen wie Reflect Orbital hätten einen besonders großen Einfluss auf die Helligkeit des Hintergrundhimmels. Bei den 50.000 in Betrieb befindlichen Reflect-Orbital-Satelliten wäre der Himmel insgesamt drei- bis viermal heller.
Begrenzung der Satellitenzahl zur Erhaltung des NachthimmelsOlivier Hainaut kommt zu dem Schluss, dass die vorgeschlagenen 1,7 Millionen neuen Satelliten dramatische Folgen für die bodengestützte Astronomie hätten. Diese Auswirkungen können nur vermieden werden, indem die Gesamtzahl der Satelliten, bestehender und zukünftiger, auf 100.000 begrenzt wird, die zudem lichtschwach genug sein müssen, um von einem dunklen Standort aus nicht mit bloßem Auge sichtbar zu sein.
"Das ist keine absolute Zahl wie '99.999 ist gut und 100.001 ist schlecht': Offensichtlich würde ich 50.000 bevorzugen", erklärt Hainaut. "Aber 100.000 führt zu Verlusten in einer Größenordnung, die mit anderen technischen Verlusten wie Geräteausfällen vergleichbar ist." Er fügt jedoch hinzu, dass die Satelliten eine visuelle Helligkeit unter 7 haben müssen [4]; wenn sich einige davon als zu hell erweisen – die Mindestschwelle für die Sichtbarkeit mit bloßem Auge überschreitend – müsste die Gesamtzahl wesentlich niedriger sein.
SpaceX und Reflect Orbital, die die extremsten neuen Vorschläge vorgelegt haben, haben jeweils einen Antrag auf Startgenehmigung bei der US-amerikanischen Federal Communications Commission (FCC) eingereicht. Diese neue Studie diente als Grundlage für die Antwort der ESO an die FCC zu diesen Vorschlägen, in Zusammenarbeit mit der britischen Royal Astronomical Society und der Internationalen Astronomischen Union.
"Die FCC hat mehr als 1.800 Kommentare zu Reflect Orbital und fast 1.500 Kommentare zum Antrag von SpaceX erhalten", erklärt Betty Kioko, Leiterin der Abteilung für institutionelle Angelegenheiten der ESO, die die Antwort der ESO auf diese Vorschläge koordiniert. "Der Ball liegt nun bei der FCC, und wir warten darauf, welche Entscheidungen sie in diesen beiden Fällen treffen wird. Für die optische Astronomie ist dies eine existenzielle Bedrohung, und wir hoffen, dass die Regulierungsbehörden diese Ansicht teilen."
"Die Astronomie bietet der Menschheit einen unschätzbaren Wert, sowohl wissenschaftlich, technisch, wirtschaftlich als auch bildungstechnisch, und hilft uns, unseren Platz im Universum zu verstehen", sagt Xavier Barcons, Generaldirektor der ESO. "Die große Anzahl geplanter Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen stellt diese Fähigkeit auf eine harte Probe und unterstreicht die Notwendigkeit, zukünftige Satellitenstarts zu begrenzen und Astronomen, Ingenieure, Satellitenbetreiber und andere Beteiligte zur Zusammenarbeit zu ermutigen, um strenge Minderungsmaßnahmen zu ergreifen."
"Der Start Tausender Satelliten hat wirtschaftliche, ökologische und astronomische Auswirkungen", fügt Olivier Hainaut hinzu. Die durch helle Satellitenkonstellationen erzeugte Lichtverschmutzung kann Auswirkungen auf die Gesundheit und das Funktionieren des Lebens auf der Erde haben, indem sie biologische Uhren und Ökosysteme stört. Große Konstellationen haben auch direkte Auswirkungen auf die Luftqualität, aufgrund der zahlreichen Starts, die erforderlich sind, um Tausende von Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen und zu warten, sowie der Luftverschmutzung durch ihre Verbrennung beim Wiedereintritt in die Atmosphäre am Ende ihres Lebenszyklus. "Mein Beruf ist die Astronomie, daher quantifiziere ich die Auswirkungen auf die Astronomie", erklärt Olivier Hainaut. "Ich hoffe, dass andere die anderen Auswirkungen in ihrem Fachgebiet bewerten werden."
Olivier Hainaut schließt: "Die erdnahe Umlaufbahn ist eine himmlische Küstenlinie, die der modernen Lebensweise einen unschätzbaren Wert verleiht, von globaler Konnektivität bis zu unserem direkten Zugang zum Universum. Wir müssen jedoch den Fußabdruck der Mega-Konstellationen verwalten – von der Lichtverschmutzung, die die Astronomie beeinträchtigt, bis zu den atmosphärischen Auswirkungen des Wiedereintritts von Satelliten – um sicherzustellen, dass diese Ressource für zukünftige Generationen intakt und zugänglich bleibt."
Anmerkungen
1 - Die Zahl der derzeit umlaufenden Satelliten beträgt 32.000, wenn man außer Betrieb befindliche Satelliten und Weltraumschrott einbezieht.
2 - Das für die Simulation berücksichtigte Instrument ist FORS2, das Arbeitstier des VLT, das repräsentativ für traditionelle Kameras ist, die an großen Teleskopen eingesetzt werden.
3 - Bei Kameras wie der des Rubin-Observatoriums, die mit komplexer und hochdichter Elektronik ausgestattet sind, verursacht eine hell genug, um den Detektor zu sättigen, nicht nur eine breite Spur auf einem astronomischen Bild, sondern auch eine Reihe von Geisterspuren, die die Verluste vervielfachen und möglicherweise das gesamte Bild kontaminieren können.
4 - Ein Satellit mit einer visuellen Helligkeit unter 7 stellt sicher, dass er den Detektor von Kameras wie der des Rubin-Observatoriums nicht sättigt. Dies bedeutet auch zufällig, dass diese Satelliten zu schwach wären, um selbst unter einem perfekt dunklen Himmel mit bloßem Auge beobachtet zu werden.