Depuis 2019, le nombre de satellites en orbite autour de la Terre a augmenté rapidement, pour atteindre aujourd’hui plus de 14 000 [1] — principalement des satellites de télécommunications Starlink de SpaceX. Les projets de satellites se sont également multipliés, tant en nombre qu’en termes d’impact potentiel. « Jusqu’à présent, nous avons réussi à gérer la situation, mais celle-ci empire », souligne Olivier Hainaut, qui a participé à l’élaboration de recommandations visant à atténuer l’impact des constellations de satellites sur l’astronomie. Alors que des entreprises comme SpaceX ont pris des mesures pour réduire la luminosité de leurs satellites, les projets de satellites actuels dépassent « les limites » de ce que l’astronomie peut supporter, explique-t-il. Olivier Hainaut, astronome à l’ESO depuis plus de 30 ans, est l’auteur d’une étude évaluée par des pairs sur les impacts des constellations de satellites, dont la publication a été acceptée dans la revue Astronomy & Astrophysics.
SpaceX prévoit de mettre en orbite un million de satellites supplémentaires, destinés à des centres de données spatiaux, ce qui modifierait considérablement l'aspect du ciel. La nouvelle étude montre que, pendant une grande partie de chaque nuit, des centaines de satellites seraient visibles et, à certains moments, jusqu’à plusieurs milliers, soit un nombre comparable à celui des étoiles observables à l’œil nu dans de bonnes conditions. D’autres constellations de satellites prévues, telles que « Cinnamon » d’E-Space et les constellations chinoises CTC-1 et CTC-2, ajouteraient des centaines de milliers de satellites supplémentaires en orbite, aggravant ainsi le problème.
Reflect Orbital, une start-up américaine, a pour objectif de lancer une constellation de très grands satellites ressemblant à des miroirs afin de fournir de la lumière solaire la nuit, grâce à des faisceaux réfléchis s’étendant sur au moins cinq kilomètres à la surface de la Terre. L’entreprise prévoit de commencer par mettre en orbite un prototype de satellite cette année et compte porter le nombre de ses satellites à 50 000 d’ici 2035. Ces satellites seraient les plus brillants jamais mis en orbite, ce qui aurait des conséquences néfastes sur la qualité du ciel nocturne sur Terre. Les calculs d'Olivier Hainaut montrent que la constellation au complet remplirait le ciel nocturne de centaines de satellites très brillants. Vu depuis l’intérieur d’un faisceau réfléchi, le satellite diffusant la lumière du soleil apparaîtrait quatre fois plus brillant que la pleine Lune. Même si aucun satellite ne dirigeait son faisceau directement vers un observateur, chacun serait aussi brillant que la planète Vénus, l’« étoile du matin ». Depuis une ville victime de la pollution lumineuse, comme Munich, en Allemagne, ces centaines de satellites seraient les seules « étoiles » visibles dans le ciel nocturne.
Ces projets, associés à d’autres examinés dans l’étude, éclaireraient considérablement le ciel nocturne, entravant ainsi la capacité de l’humanité à observer des cibles cosmiques peu lumineuses, notamment des galaxies lointaines, certaines planètes semblables à la Terre en orbite autour d’autres étoiles, et même des astéroïdes potentiellement dangereux pour la Terre.
Des trainées lumineuses et un ciel encore plus éclairé
Olivier Hainaut explique que « les satellites, éclairés par le Soleil, sont bien plus lumineux que les galaxies lointaines. Lorsqu’un satellite passe devant ce que nous observons, il laisse une traînée lumineuse sur notre image, masquant tout ce qui se trouve derrière lui. »
Afin d’évaluer l’impact de ce phénomène et d’autres effets liés aux constellations de satellites sur les observations astronomiques, Olivier Hainaut a simulé les positions, les mouvements et la luminosité de toutes les constellations de satellites existantes et prévues.
En ce qui concerne la méga-constellation de satellites de SpaceX, il a constaté que des dizaines de traînées apparaissaient sur chaque image prise deux heures après le début de la nuit avec le Very Large Telescope (VLT) de l’ESO, à l’observatoire de Paranal au Chili, ce qui représentait une perte de champ de vision pouvant atteindre 28 % [2]. Ce calcul part du principe que les satellites seraient suffisamment faibles pour ne pas être visibles à l’œil nu dans de bonnes conditions. S’ils étaient ne serait-ce qu’un peu plus lumineux, certains instruments seraient encore plus affectés : par exemple, une caméra comme celle de l’observatoire Vera C. Rubin de la National Science Foundation américaine pourrait voir la plupart de ses images rendues inutilisables pendant plusieurs heures chaque nuit [3].
Les simulations d'Olivier Hainaut partaient du principe qu’aucun satellite de Reflect Orbital ne dirigerait son faisceau directement vers un observatoire ou à proximité de celui-ci. Même dans ce cas, la traînée laissée par un seul satellite à miroirs pourrait gâcher une observation réalisée avec une caméra telle que celle de l’observatoire Rubin. Une fois que l’ensemble de la flotte de satellites de Reflect Orbital serait en orbite, toutes les images prises par une telle caméra seraient perdues lorsque les satellites seraient éclairés par le Soleil.
Cependant, ce ne sont pas seulement les trajectoires entrecroisées des satellites qui limitent ce que nous pouvons observer : leur lumière peut polluer l'ensemble du ciel. Les satellites trop faibles pour être vus directement produisent un voile de lumière « diffuse », tandis que la lumière des satellites plus brillants est « diffusée » dans toutes les directions lorsqu’elle traverse l’atmosphère. Ces deux phénomènes augmentent la luminosité globale du ciel nocturne. Cette étude est la première à examiner les impacts sur l’astronomie liés à la contribution des constellations de satellites à la luminosité de fond du ciel, révélant ainsi toute l’ampleur de la pollution lumineuse causée par les satellites.
Des constellations très lumineuses comme Reflect Orbital auraient un impact particulièrement important sur la luminosité du ciel en arrière-plan. Avec les 50 000 satellites Reflect Orbital en service, le ciel serait globalement trois à quatre fois plus lumineux.
Limiter le nombre de satellites pour préserver le ciel nocturne
Olivier Hainaut conclut que les 1,7 million de nouveaux satellites proposés auraient des conséquences dramatiques pour l’astronomie au sol. Ces répercussions ne peuvent être évitées qu’en limitant le nombre total de satellites, existants et futurs, à 100 000, ceux-ci devant être suffisamment peu lumineux pour ne pas être visibles à l’œil nu depuis un site sombre. « Ce n’est pas un chiffre absolu, du genre 99 999 c’est bien et 100 001 c’est mal : évidemment, je préférerais 50 000 », explique Hainaut. « Mais 100 000 entraîne des pertes d’un ordre de grandeur comparable à celui d’autres pertes techniques, telles que les pannes d’équipement. » Il ajoute toutefois que les satellites doivent avoir une magnitude visuelle inférieure à 7 [4] ; si certains d’entre eux s’avéraient trop brillants — dépassant le seuil minimal de visibilité à l’œil nu —, le nombre total devrait être bien inférieur.
SpaceX et Reflect Orbital, à l'origine des nouvelles propositions les plus extrêmes, ont chacun déposé une demande d'autorisation de lancement auprès de la Commission fédérale des communications (FCC) des États-Unis. Cette nouvelle étude a servi de base à la réponse adressée à la FCC par l'ESO concernant ces propositions, en collaboration avec la Royal Astronomical Society britannique et l'Union astronomique internationale.
« La FCC a reçu plus de 1 800 commentaires concernant Reflect Orbital et près de 1 500 commentaires sur la demande de SpaceX », explique Betty Kioko, responsable des affaires institutionnelles à l’ESO, chargée de coordonner la réponse de l’ESO à ces propositions. « La balle est désormais dans le camp de la FCC, et nous attendons de voir quelles décisions elle prendra concernant ces deux dossiers. Pour l’astronomie optique, il s’agit d’une menace existentielle, et nous espérons que les régulateurs partageront ce point de vue. »
« L’astronomie apporte une valeur inestimable à l’humanité, tant sur le plan scientifique, technique, économique qu’éducatif, et nous aide à comprendre notre place dans l’Univers », déclare Xavier Barcons, directeur général de l’ESO. « Le nombre important de satellites prévus en orbite terrestre basse met cette capacité à rude épreuve, soulignant la nécessité de limiter les futurs lancements de satellites et d’inciter les astronomes, les ingénieurs, les opérateurs de satellites et les autres parties prenantes à collaborer pour adopter des mesures d’atténuation strictes. »
« Le lancement de milliers de satellites a des implications économiques, écologiques et astronomiques », ajoute Olivier Hainaut. La pollution lumineuse générée par les constellations de satellites très lumineuses peut avoir des répercussions sur la santé et le fonctionnement de la vie sur Terre, en perturbant les horloges biologiques et les écosystèmes. Les grandes constellations ont également des impacts directs sur la qualité de l’air, en raison des nombreux lancements nécessaires pour mettre en orbite et entretenir des milliers de satellites, ainsi que de la pollution atmosphérique causée par leur combustion lors de leur rentrée dans l’atmosphère à la fin de leur cycle de vie. « Mon métier, c’est l’astronomie, donc je quantifie les effets sur l’astronomie », explique Olivier Hainaut. « J’espère que d’autres évalueront les autres impacts dans leur domaine d’expertise. »
Olivier Hainaut conclut : « L'orbite terrestre basse est un littoral céleste qui apporte une valeur inestimable à la vie moderne, de la connectivité mondiale à notre accès direct à l'Univers. Cependant, nous devons gérer l'empreinte des méga-constellations — de la pollution lumineuse qui affecte l'astronomie aux effets atmosphériques de la rentrée des satellites — afin de garantir que cette ressource reste intacte et accessible pour les générations futures. »
Notes
[1] Le nombre de satellites actuellement en orbite s'élève à 32 000 si l'on inclut les satellites hors service et les débris spatiaux.
[2] L’instrument pris en compte pour la simulation est FORS2, le cheval de bataille du VLT, qui est représentatif des caméras traditionnelles équipant les grands télescopes.
[3] Dans les caméras telles que celle de l’observatoire Rubin, dotées d’une électronique complexe et à haute densité, une traînée de satellite suffisamment brillante pour saturer le détecteur provoque non seulement une large traînée sur une image astronomique, mais aussi une série de traînées fantômes qui multiplient les pertes et peuvent potentiellement contaminer l’image dans son ensemble.
[4] Un satellite d’une magnitude visuelle inférieure à 7 garantit qu’il ne saturera pas le détecteur de caméras telles que celle de l’observatoire Rubin. Cela signifie également, par coïncidence, que ces satellites seraient trop faibles pour être observés à l’œil nu, même sous un ciel parfaitement sombre.
Plus d'informations
Ces travaux ont fait l'objet d'un article rédigé par Olivier Hainaut (Observatoire Européen Austral, Allemagne) qui paraîtra dans la revue Astronomy & Astrophysics.
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