Цепочка Starlink: почему спутники летят по небу один за другим

После запуска партия Starlink иногда выглядит с земли как длинная цепочка белых огней. Точки следуют по одной линии, постепенно пересекают небо и порой исчезают одна за другой в одном и том же месте. Между ними нет длинного корпуса: это отдельные спутники, ещё не распределившиеся по своим рабочим положениям.

Starlink передаёт данные для спутниковой связи SpaceX. Одна ракета выводит сразу группу аппаратов. В первые дни их орбиты близки, и с подходящего места можно увидеть несколько спутников подряд. Затем они разойдутся, а плотный «поезд» станет длиннее и реже.

Огни не работают как сигнальные лампы, направленные к земле. Наблюдатель видит отражённый солнечный свет. Поэтому одни и те же аппараты в одном пролёте хорошо заметны, а в другом почти теряются на фоне неба.

Почему группа вытягивается в линию

После отделения от ракеты спутники получают близкие скорости и сходные орбиты. Они уже самостоятельны, но ещё находятся рядом. Небольшие различия в движении со временем увеличивают расстояния между ними.

Аппараты также выполняют манёвры и поднимаются к нужным орбитам. Во время этого процесса одна компактная партия постепенно распределяется по рабочим положениям. Плотная цепочка — временный этап после запуска. Для связи спутникам нужно покрывать разные районы, поэтому оставаться тесной группой им незачем.

Видимый промежуток между точками зависит и от направления взгляда. На одном участке пролёта расстояния кажутся маленькими, на другом группа растягивается по небесному своду. С земли наблюдатель видит углы между аппаратами, а не измеряет километры между ними напрямую.

Такую картину заметили после первых больших запусков. В отчёте SATCON2 обсуждается партия из 60 Starlink, запущенная в мае 2019 года. До подъёма на рабочую высоту спутники проходили близко друг к другу и оставляли несколько следов на астрономических фотографиях.

Число видимых огней не всегда равно числу аппаратов в партии. Часть может находиться за горизонтом или зданием, другая — оставаться слишком слабой для глаза. В коротком видео часто записан только участок длинной группы. Поэтому пересчитать точки в кадре и узнать по этому числу запуск обычно не удаётся.

Солнце за горизонтом, свет на спутниках

Лучшее впечатление цепочка часто производит в сумерках. На земле уже достаточно темно, чтобы заметить слабые огни. На высоте спутников солнечные лучи ещё проходят над краем Земли. Корпус и солнечные панели отражают их в сторону наблюдателя.

Это объясняет отсутствие прожектора. Аппарату не нужно включать видимый свет ради полёта. В техническом документе SpaceX о снижении яркости разбираются именно отражающие поверхности и способы изменить количество солнечного света, направленного к Земле.

Видимость зависит от даты, широты, высоты орбиты и положения Солнца. Одного правила вроде «смотрите ровно через полчаса после заката» нет. В глубокой ночи низкоорбитальные аппараты могут уже находиться в тени Земли. В других условиях солнечная подсветка сохраняется дольше.

Слабый пролёт может пройти незамеченным даже по верному прогнозу. Городское освещение, дымка и облака скрывают точки. Низко над горизонтом свет проходит через более толстый слой воздуха, а расстояние до спутника обычно больше, чем при пролёте над головой.

Ориентация самого аппарата тоже влияет на блеск. Плоские поверхности неодинаково отражают свет при разных углах. В работе Энтони Малламы по измерениям Starlink разобраны эта зависимость и короткие вспышки. Спутник способен ненадолго стать ярче соседей, продолжая плавно двигаться по орбите.

Куда точки исчезают в чистом небе

Если группа летит к земной тени, первый аппарат тускнеет, затем пропадает. Следом до той же области доходят остальные. Наблюдатель видит, как цепочка сокращается с одного конца, хотя над этим местом нет облаков.

Земля в этот момент закрывает Солнце для спутников. Они теряют источник освещения, но продолжают лететь. В зависимости от геометрии граница может пересекаться постепенно или сравнительно быстро. Сама граница тени с земли не видна.

Поскольку аппараты идут близкими путями, место исчезновения у них похоже. Они не должны передавать друг другу команду на выключение и не собираются в одной точке. Каждый отдельно входит в затенённую область.

Возможен и обратный вид. Спутники выходят из тени и становятся заметными один за другим. На записи появляются новые огни, будто их по очереди включают. Направление такого появления зависит от положения орбиты относительно Земли и Солнца.

Отражение может ослабеть и без входа в тень. По мере полёта меняется ракурс, а поверхность перестаёт посылать достаточно света к человеку. Поэтому для расчёта яркости нужна не только траектория, но и ориентация аппарата. Прогноз видимого пролёта не даёт точного сценария каждого всплеска.

Почему фотографии показывают полосы вместо огней

В ноябре 2019 года камера DECam в обсерватории Серро-Тололо записала не менее 19 следов Starlink за одну экспозицию продолжительностью 333 секунды. На опубликованном кадре NOIRLab спутники пересекли изображение длинными светлыми полосами.

Во время выдержки камера продолжает накапливать свет. Движущаяся точка занимает новые места на датчике, и её путь превращается в линию. Глаз в тот же момент увидел бы отдельный огонь, а короткий кадр показал бы значительно меньший участок движения.

Некоторые полосы DECam прерываются. Эти разрывы связаны с промежутками между детекторами камеры. Они не записывали свет на соответствующих участках изображения. Аппараты при этом не должны были выключаться в каждой точке разрыва.

Из-за выдержки обычный спутник на фотографии может получить длинный «хвост». Это след его движения за время съёмки. При настоящем разрушении в атмосфере светящийся хвост связан с процессами в газе и веществе, а в группе появляются новые фрагменты. Чтобы понять, какой случай записан, полезно знать режим камеры и иметь видео.

Starlink на научном снимке создаёт помехи. Полоса пересекает далёкие объекты, а сильный сигнал способен затруднить измерения и вокруг неё. Для астрономического прибора спутник может быть слишком ярким ещё до того, как случайный прохожий вообще заметит его в небе.

Ускоренная запись также меняет впечатление. Несколько минут спокойного движения, сжатые до секунд, превращаются в стремительный пролёт. Перед сравнением с самолётами, метеорами или другими спутниками стоит вернуться к исходной скорости видео.

Что изменили в конструкции

После первых наблюдений SpaceX начала пробовать способы уменьшить отражение. Среди них были более тёмные поверхности, козырьки, покрытия и изменение ориентации солнечных панелей. Эти решения относятся к разным версиям аппаратов и не дают одинакового результата во всех направлениях.

Грейс Халферти и её коллеги сравнили ранние конструкции в исследовании 2022 года. Они использовали 353 наблюдения 61 спутника. В этой выборке аппараты VisorSat с козырьками в среднем оказались слабее исходной версии примерно в 2,3 раза.

Результат относится к изученным моделям и условиям. Его нельзя переносить без проверки на всё новое поколение Starlink. Аппараты меняются, а яркость зависит от стадии полёта и ракурса.

У инженеров есть несколько задач одновременно. Поверхности должны отводить тепло, солнечные панели — давать электричество, антенны — работать в нужных направлениях. Любой способ уменьшить заметность приходится согласовывать с этими требованиями.

Сразу после запуска аппараты стабилизируются, разворачивают элементы и поднимают орбиту. Режим ещё отличается от обычной работы. Поэтому недавняя партия может оставаться хорошо видимой даже при мерах, которые уменьшают яркость на рабочей орбите.

Снижение среднего блеска не устраняет все короткие вспышки. Отдельная поверхность при подходящем угле способна дать более сильное отражение. Это ещё одна причина, по которой два пролёта одинакового типа аппаратов выглядят по-разному.

Как проверить дату и маршрут пролёта

Для опознания цепочки нужны место, время и направление. Запись с неподвижным горизонтом или звёздами полезнее крупного плана на чёрном фоне. Она позволяет сравнить, где появились точки, по какой стороне прошли и где исчезли.

Прогноз нужно строить для своего города или точного места наблюдения. Один и тот же аппарат может быть высоко над одним районом и ниже горизонта другого. Также важно проверить, указано ли в приложении местное время или UTC.

После недавнего запуска параметры орбиты уточняются, а спутники продолжают выполнять манёвры. Давно сохранённый прогноз может сместить время или путь. В работе Халферти и коллег отдельно обсуждается точность орбитальных данных и неопределённость этапа подъёма. Для свежей партии лучше брать сведения, соответствующие моменту наблюдения.

Полезно сравнить весь пролёт: время появления, направление движения, относительное положение точек и уход в тень. Узнаваемый строй даёт хорошую подсказку, но для номера конкретного запуска нужен такой расчёт.

Когда аппараты распределятся по рабочим положениям, компактная цепочка распадётся. Каждый продолжит свою службу, а с земли группа уже будет выглядеть иначе. Именно первые дни после выведения позволяют увидеть этот промежуточный этап: спутники летят отдельно, но ещё сохраняют близкое движение, полученное при одном запуске.