اخترشناسان ماهواره‌ها را از روی عبورشان از مقابل ستارگان طبقه‌بندی می‌کنند

با اینکه اطلاعات مربوط به بسیاری از ماهواره‌ها در دسترس عموم قرار دارد، اما برخی از آن‌ها در هاله‌ای از ابهام قرار دارند و داده‌های مربوط به برخی دیگر ناقص است. پژوهش جدیدی نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با مشاهده‌ عبور ماهواره‌ها از مقابل ستارگان پس‌زمینه (پدیده اختفا)، به شکل آن‌ها پی برد.

در حال حاضر هزاران ماهواره در مدار پایین زمین (LEO) قرار دارند؛ منطقه‌ای که زیر ارتفاع ۲۰۰۰ کیلومتر تعریف می‌شود. بیشتر ماهواره‌ها و اشیای فضایی ساخت انسان در همین ناحیه جای دارند. بسیاری از آن‌ها دیگر فعال نیستند و به زباله‌های فضایی تبدیل شده‌اند، که این موضوع خطر برخورد را افزایش داده و ازدحام در مدار را تشدید کرده است.

مطالعه‌ی جدیدی نشان می‌دهد که اخترشناسان چگونه می‌توانند با بررسی اختفای ستارگان پس‌زمینه توسط ماهواره‌ها، شکل آن‌ها و حتی نوع مأموریت‌شان را تخمین بزنند. درک بهتر از ماهواره‌های موجود در LEO برای سنجش میزان ازدحام و یافتن راه‌حل‌های مناسب اهمیت دارد.

این تحقیق با عنوان «طبقه‌بندی ماهواره‌های مدار پایین زمین با استفاده از اختفای ستارگان پس‌زمینه» قرار است در مجله‌ی Royal Astronomical Society Techniques and Instruments منتشر شود. نویسنده‌ی اصلی، بنجامین کوک از مرکز آگاهی حوزه فضایی در دانشگاه وارویک بریتانیا است. نسخه‌ای از مقاله در سایت arxiv.org در دسترس است.

نویسندگان می‌نویسند:

«مشاهده‌ی اشیای فضایی ساکن (RSO) در مدار پایین زمین، حوزه‌ای در حال رشد سریع است. تعداد این اشیاء ـ شامل ماهواره‌های فعال و غیرفعال، بدنه موشک‌ها و زباله‌های فضایی ـ به‌سرعت در حال افزایش است و این روند ادامه خواهد داشت.»

پژوهش حاضر یک شبیه‌سازی اثبات مفهوم (proof-of-concept) برای تشخیص ماهواره‌ها بر اساس دو شکل کلی است: با بال جانبی (boxwing) و مربع‌شکل (square).

نویسندگان توضیح می‌دهند:

«ماهواره‌های boxwing متقارن هستند؛ بدنه‌ای مستطیل‌شکل در مرکز دارند و دو بال در طرفین. اما ماهواره‌های مربعی مشابه‌اند، ولی فاقد بال‌های کناری هستند.»

روش‌های کنونی برای شناسایی اشیای فضایی معایبی دارند. رصدهای رادیویی عمدتاً به سطح مقطع راداری (RCS) وابسته‌اند که لزوماً نشان‌دهنده‌ی اندازه واقعی جسم نیست و می‌تواند با طراحی یا جنس مواد کاهش یابد (مانند جنگنده‌های رادارگریز).

رصدهای نوری نیز محدودیت‌هایی دارند؛ از جمله وابستگی به بازتاب نور خورشید از سطح جسم، که خود می‌تواند به‌صورت عمدی کاهش یابد. همچنین، رصد نوری فقط در زمان گرگ‌ومیش ممکن است، یعنی زمانی که جسم هنوز نور خورشید را بازتاب می‌دهد ولی آسمان تاریک است.

اگرچه فناوری‌های پیشرفته می‌توانند بخشی از این موانع را برطرف کنند، اما ایمنی کامل فراهم نمی‌کنند.

در مقابل، تشخیص شکل ماهواره از طریق اختفا مزایای خاصی دارد.
نویسندگان می‌گویند:

«وقتی یک شیء فضایی در آسمان حرکت می‌کند، به‌طور موقت ستارگان پشت سرش را می‌پوشاند. این پدیده می‌تواند اطلاعات دقیقی درباره شکل و اندازه آن جسم فراهم کند. ویژگی برجسته این روش آن است که به‌طور مستقیم به نمای خارجی جسم وابسته است و تحت تأثیر بازتاب یا سطح مقطع راداری قرار نمی‌گیرد.»

به بیان دیگر، اگر ماهواره‌ای طراحی شده باشد تا بازتاب نداشته باشد یا قابل شناسایی نباشد، این روش همچنان قادر به شناسایی شکل آن است. با این حال، روش اختفا در زمانی که ماهواره نور خورشید را بازتاب می‌دهد قابل استفاده نیست، چرا که بازتاب باعث محو شدن اختفاها می‌شود.

در شبیه‌سازی، پژوهشگران اشکال مختلف ماهواره را در دو دسته boxwing و square مدل‌سازی کردند. همه ماهواره‌ها در این شبیه‌سازی‌ها مات در نظر گرفته شدند و مسیرهایی متفاوت با سرعت‌های گوناگون اما در مدار LEO طی کردند.
ابتدا زاویه چرخش جسم تعیین شد و سپس موقعیت لبه‌های شکل ماهواره. فرض بر تقارن ماهواره‌ها بود، بنابراین تنها لازم بود یک طرف شکل تحلیل شود و طرف مقابل با تقارن بازسازی گردد.

سپس شبیه‌سازی تلاش می‌کرد تا یک شکل boxwing یا square را بر روی داده‌ها تطبیق دهد. این کار با محاسبه نقاط تلاقی و فاصله آن‌ها از شکل فرضی انجام شد. در نهایت، بهترین تطبیق برای هر دو شکل به‌دست آمد.

در این پژوهش، ۱۰۰ هزار ماهواره شبیه‌سازی شدند. در مواردی که داده‌ها برای تشخیص کافی نبود، ماهواره‌ها به عنوان صحیح، ناصحیح یا نامشخص طبقه‌بندی شدند. طبق نتایج، نرخ موفقیت برای ماهواره‌های square کمی پایین‌تر از boxwing بود و احتمال رد شدن آن‌ها بیشتر بود، احتمالاً به دلیل سطح مقطع کمتر و نقاط تقاطع کمتر.

نویسندگان تأکید می‌کنند که این روش از نظر تئوری معتبر است، اما در حال حاضر با محدودیت‌های فنی قابل‌توجهی مواجه است.

«برای دستیابی به نرخ طبقه‌بندی بالا، نیاز به زمان نوردهی بسیار سریع (صدها تا هزاران فریم در ثانیه) و وجود تراکم بالایی از ستارگان در مسیر جسم فضایی وجود دارد. این شرایط فراتر از توان سیستم‌های نوری کنونی است.»

همچنین در شبیه‌سازی‌ها همه ماهواره‌ها در یک ارتفاع مشخص مدل‌سازی شدند، در حالی که در واقعیت، ارتفاع آن‌ها متغیر است و این خود پیچیدگی بیشتری ایجاد می‌کند. این عامل، در این مطالعه‌ی اولیه (proof-of-concept) لحاظ نشده است.

در مجموع، این تحقیق نشان می‌دهد که روش اختفا می‌تواند در آینده به ابزاری مؤثر برای شناسایی ماهواره‌ها تبدیل شود، اما در حال حاضر عملیاتی‌سازی آن بسیار دشوار است.

«این محدودیت‌ها به حدی شدید هستند که فعلاً این روش را خارج از محدوده ابزارهای رصدی کنونی قرار می‌دهند، اما ما توانستیم آن را به‌عنوان یک ابزار بالقوه برای رصدخانه‌های آینده تأیید کنیم.»