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SKAO necessita di misure correttive da parte degli operatori delle mega-costellazioni satellitari per ridurre al minimo l’impatto sulle osservazioni dei suoi radiotelescopi

Quartier Generale SKA, 7 ottobre 2020. La SKA Organization (SKAO)  – a guida del progetto internazionale Square Kilometre Array (SKA)- ha intrapreso un’analisi preliminare del potenziale impatto delle attuali mega-costellazioni satellitari sui suoi radiotelescopi. L’analisi quantifica questo impatto e identifica le possibili mitigazioni. Il progetto SKA è un collaborazione intergovernativa tra 15 paesi che coinvolge migliaia di scienziati e ingegneri per costruire e gestire il più grande osservatorio nelle onde radio del mondo, con radiotelescopi situati in Australia e in Sudafrica.

Lo studio si concentra sull’impatto della messa in orbita degli attualmente previstis 6.400 satelliti sul radiotelescopio SKA-Mid di prossima installazione in Sudafrica, il quale consisterà di 197 parabole. Il radiotelescopio di SKAO a bassa frequenza in Australia occidentale, basato su una diversa tipologia di antenne e che opererà a frequenze più basse (50 MHz-350 MHz), non è oggetto dell’analisi qui riportata, ma è prevista una valutazione completa dell’impatto anche sulle osservazioni australiane.

Rappresentazione artistica del radiotelescopio SKA-Mid in Sudafrica (Crediti: SKA Organisation)

Punti chiave e risultati (sulla base del dispiegamento di 6.400 satelliti)

– I satelliti dei vari progetti di costellazioni satellitari trasmetteranno segnali radio all’interno della gamma di frequenze coperta dai ricevitori in banda 5b del telescopio SKA-Mid in Sudafrica (una delle sette bande previste per il telescopio).

– Senza specifiche azioni di mitigazione da parte degli operatori delle costellazioni,  probabilmente ci sarà un impatto su tutte le osservazioni astronomiche nella banda 5b.

– Questo impatto include una perdita di sensibilità delle antenne nella banda radio suddetta comportando la necessità di allungare il tempo delle osservazioni astronomiche del 70% per compensare tale perdita.

– L’impatto scientifico sarà più importante negli studi di righe spettrali molecolari e atomiche, comprese le molecole organiche complesse; masers al metanolo (Classe II) e una vasta gamma di righe molecolari extragalattiche.

– Le tecniche di mitigazione identificate da SKAO, se attuate, possono ridurre questo impatto su SKA-Mid di un fattore 10.

– SKAO ribadisce il suo impegno per ridurre al minimo la perdita di scoperte scientifiche attraverso tutte le strade percorribili. SKAO continuerà a lavorare a stretto contatto con il mondo industriale per ridurre al minimo i danni causati dalle trasmissioni radio delle mega-costellazioni ed è in attesa di una risposta positiva in merito alle soluzioni proposte.

-Per costellazioni significativamente più grandi, fino a 100.000 satelliti, l’effetto su SKA sarebbe molto peggiore, minacciando potenzialmente l’efficacia dell’uso  dell’intera banda 5b per il 100% del tempo, a meno di azioni di mitigazione più severe.

Uso dello spettro delle radiofrequenze

Grazie alla loro squisita sensibilità, i due telescopi di SKAO saranno costruiti in luoghi remoti, lontano da interferenze radio artificiali. Questi luoghi godono di un’assistenza legale (sono dichiarati come zone “radio-quiete” RQZ, ovvero di silenzio radio), che li protegge dalle interferenze radio generate a Terra, quali quelle dei telefoni cellulari, di ripetitori televisivi o dalle tecnologie Wi-Fi, per citare alcuni esempi. Tuttavia, lo stato RQZ non fornisce alcuna protezione da interferenze spaziali. I segnali radio delle costellazioni sono trasmessi su frequenze utilizzate da molti anni dall’industria satellitare. Esse cadono all’interno della banda di ricezione banda 5b di SKA-Mid e sono immediatamente adiacenti alla banda 2 protetta a livello internazionale1.

Copertura in frequenza dei telescopi SKAO con uno zoom sulle banda 5b di SKA-Mid, la fascia di frequenze protetta e il downlink satellitare

Finora la ricerca radioastronomica è stata comunque in grado di effettuare osservazioni a queste frequenze a causa del numero ridotto di satelliti e della loro posizione fissa nel cielo (la maggior parte sono in orbita geostazionaria). Ma il dispiegamento di migliaia di satelliti in orbita terrestre bassa (LEO) cambierà inevitabilmente la situazione: i radioastronomi si troveranno ad affrontare un numero molto maggiore di radiosorgenti e in rapido movimento nel cielo2.

Impatto su SKA

Elon Musk, l’amministratore delegato di SpaceX (che attualmente sta dispiegando la mega-constellazione Starlink), ha pubblicamente affermato che: “…. i satelliti Starlink avranno un impatto pari a circa lo 0% sull’astronomia”. Lo studio SKAO invece dimostra che, per i radiotelescopi in generale e per SKA in particolare, le cose non stanno così e che saranno necessarie azioni di mitigazione specifiche per minimizzare questo impatto.

L’analisi di SKAO si è concentrata su tre questioni:

  1. danni materiali: lo studio esclude che ricevitori in banda 5b rimangano danneggiati dalla ricezione di segnali radio intensi emessi dai satelliti.
  2. Saturazione degli strumenti: segnali radio molto forti possono saturare i ricevitori e quindi sovrastare tutti gli altri segnali rilevati in banda 5b, perdendo di conseguenza tutti i dati astronomici in quella banda. Per la prima fase di dispiegamento della costellazione (circa 6.400 satelliti in totale) e in assenza di un’illuminazione diretta delle parabole da parte dei satelliti, si prevede che la saturazione interesserà alcuni punti percentuali del tempo di osservazione. Per costellazioni di dimensioni significativamente maggiori (fino a più di 100.000 satelliti) e in assenza di misure di mitigazione significative, è attesa una saturazione essenzialmente continua.
  3. Impatto scientifico: lo studio di SKAO ha dimostrato che anche con la costellazione più piccola (6.400 satelliti) è probabile che si verifichi una perdita continua di sensibilità per tutte le osservazioni astronomiche in banda 5b all’interno della gamma di frequenze emesse dalle trasmissioni satellitari, a meno che non vengano attuate azioni di mitigazione. L’impatto scientifico sarà più significativo per gli studi a quelle radio frequenze di linee spettrali molecolari e atomiche, quali molecole organiche complesse, maser al metanolo di classe II e un’ampia gamma di linee molecolari extra-galattiche.

“Identificare le origini della vita oltre la Terra è di grande interesse scientifico nonché pubblico e uno dei metodi più promettenti per questo campo di ricerca nella nostra Galassia si basa sul rilevamento di molecole complesse pre-biotiche, le cui “impronte” spettrali sono concentrate tra i 10 e i 15 GHz circa”, afferma il dottor Robert Braun, direttore scientifico di SKA. “Questo è solo uno dei tanti obiettivi scientifici eccitanti che necessitano di grande sensibilità a questa gamma di frequenze. La prospettiva di avere tali perdite di sensibilità è estremamente preoccupante”.

Una conseguenza diretta della perdità di sensibilità sarà un aumento del 70% della durata delle osservazioni astronomiche (tempo di integrazione) nelle frequenze delle trasmissioni satellitari. In altre parole, ogni osservazione a quelle frequenze richiederà il 70% di tempo in più, e quindi solo la metà circa delle osservazioni potrà essere effettuata. “Una tale perdita di efficienza, in aggiunta all’attesa sovrabbondanza di richieste di tempo osservativo al radiotelescopio, si tradurrà direttamente in scienza perduta ed è del tutto possibile che le proposte di osservazione più impegnative non saranno più fattibili in queste circostanze” continua Braun.

Possibili misure di mitigazione

SKAO ritiene che siano possibili diverse tecniche di mitigazione a seconda della tecnologia del payload per le comunicazioni dei satelliti per garantire che l’impatto delle costellazioni satellitari attuali e future sia ridotto al minimo.

Tra queste una soluzione proposta da SKAO è che i trasmettitori satellitari non puntino i fasci di tramissione (beams) verso le antenne SKAO, una misura praticabile tramite una semplice modifica del software con nessun effetto sul dispiegamento, sul posizionamento o sull’hardware della costellazione. Del resto, gli operatori satellitari utilizzano già questa tecnica per adempiere alle normative internazionali quando i loro satelliti incrociano il percorso delle trasmissioni tra i satelliti geostazionari nelle orbite alte e le loro stazioni riceventi a Terra, ad esempio per evitare di influenzare le telecomunicazioni e le trasmissioni televisive. Questa mitigazione potrebbe ridurre l’impatto sulle osservazioni SKA di un fattore 10 rispetto a quello precedentemente stimato e comporterebbe un aumento del 7% del tempo di integrazione per le osservazioni di SKA all’interno del range delle trasmissioni satellitari3.

La South African Karoo Astronomy Advantage Area (KAAAA) è stata istituita come parte dell’Astronomy Geographic Advantage Act 2007. Composta da un’area poligonale di ~500km x 300km, questa Zona Radio Quieta fornisce protezione dalle interferenze radio al sito sudafricano del radiotelescopio SKA-Mid (cerchietti verdi nell’immagine a sinistra).

Anche se qualsiasi perdita di sensibilità rappresenta un grande rammarico, SKAO riconosce la necessità di trovare un compromesso tra la scienza e l’economia. Vale la pena notare che il puntamento dei beams satellitari verso il sito sudafricano SKA è già significativamente limitato dall’Astronomy Geographic Advantage Act (AGA) del Parlamento che regolamenta le infrastrutture terrestri necessarie agli operatori satellitari per fornire i loro servizi intorno al sito SKA sudafricano.

“Grazie al nostro studio, l’impatto potenziale delle mega-costellazioni satellitari su SKA è stato compreso” dice Prof. Philip Diamond, Direttore Generale SKA. “Stiamo costruendo una struttura di ricerca multimiliardaria all’avanguardia e finanziata dai contribuenti di tutto il mondo, dobbiamo proteggere e massimizzare le sua capacità di fornire innovazione e nuove conoscenze all’umanità”. Aggiunge Diamond: “Nel tentativo di essere costruttivi e di offrire soluzioni all’industria, abbiamo ha anche individuato opzioni di mitigazione praticabili e ne abbiamo sviluppato una modellizzazione. Sono rassicurato dalle dichiarazioni pubbliche di Elon Musk che ci assicurano che non ci sarà alcun impatto sull’astronomia e che accolgono gli impegni costruttivi che abbiamo avuto finora con l’industria. Aspettiamo con ansia l’impegno proattivo degli operatori satellitari nelle soluzioni che proponiamo per salvaguardare gli investimenti dei contribuenti degli Stati membri del progetto SKA nel radiotelescopio SKA”.

 

Note

1 L’Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU), un’agenzia delle Nazioni Unite, attraverso il settore delle radiocomunicazioni regola l’uso internazionale dello spettro radio e delle orbite satellitari. La radioastronomia è stata ufficialmente riconosciuta per la prima volta come un servizio di radiocomunicazione nel 1959, quando fu deciso di proteggere alcune bande strette per le osservazioni radioastronomiche. I produttori di satelliti sono vincolati da accordi internazionali nell’ambito dell’ITU che garantiscono che le bande protette per la radioastronomia, comprese quelle a 10.6-10.7 GHz, non siano inquinate dalle loro trasmissioni. Tuttavia, da allora il campo della radioastronomia si è sviluppato enormemente e le nuove conoscenze scientifiche richiedono ai radioastronomi di estendere le loro osservazioni oltre le bande tradizionalmente protette. La maggior parte della banda 5b di SKA – e in effetti di tutte le bande di osservazione di SKA- non è quindi protetta dalle norme dell’ITU. La legislazione in vigore per proteggere i siti SKA è inoltre applicabile solo ai trasmettitori terrestri, mentre le comunicazioni radio aeree e spaziali rientrano nell’ambito dell’ITU e non sono soggette a restrizioni analoghe.

2 C’è l’intenzione da parte degli operatori satellitari di aumentare le dimensioni della mega-costellazione fino a decine di migliaia di satelliti, secondo recenti depositi alla Commissione federale per le comunicazioni(FCC) degli Stati Uniti d’America. Questo drammatico aumento avrebbe un impatto sua SKA molto peggiore di quanto previsto in precedenza, minacciando potenzialmente l’efficacia dell’uso dell’intera banda 5b per il 100% del tempo, a meno di azioni di mitigazione più severe. Il deposito presso la FCC consente agli operatori satellitari di servire il mercato statunitense ed è un utile punto di raccolta di informazioni sulle intenzioni dell’industria per le costellazioni di satelliti. Le autorità garanti per le comunicazioni dei paesi di origine dei principali proponenti, attualmente Regno Unito, Canada, Francia, Paesi Bassi, la Norvegia, il Lussemburgo, il Liechtenstein e la Cina dovranno svolgere un ruolo nella promozione di tali mitigazioni.

3 Oltre ad identificare questa soluzione di mitigazione, SKAO si è spinta oltre e ha effettuato una modellizzazione per una costellazione di satelliti che fornisce servizi ai centri abitati che circondano il sito SKAO nel Sudafrica. SKAO ha determinato che i beams dei satelliti dovrebbero essere ruotati di un minimo di 20 gradi dal sito sudafricano. Poiché il modello SKAO è affetto da una certa incertezza, dato che non ha pieno accesso a tutte le informazioni tecniche sui satelliti, SKAO incoraggia gli operatori satellitari a sviluppare un modello più preciso, per una migliore valutazione dell’impatto, sia sul radiotelescopio che su potenziali problemi di accessibilità ai servizi per quelle popolazioni.


 

A proposito di SKA

Il progetto Square Kilometre Array (SKA) è uno progetto internazionale per costruire il più grande radiotelescopio del mondo. SKA non è un singolo telescopio, ma un insieme di telescopi, chiamati array, da distribuire su grandi distanze. Sarà costruito in Australia e in Sudafrica con una successiva espansione in entrambi i paesi e in altri paesi africani.

Il progetto è stato guidato dall’organizzazione SKA con sede vicino a Manchester (Regno Unito) e sostenuto da più di 1.000 ingegneri e scienziati in 20 paesi. L’Organizzazione SKA sta effettuando la transizione verso l’Osservatorio SKA, un’organizzazione intergovernativa istituita su trattato, per intraprendere la costruzione e l’operatività del telescopio. Per saperne di più sulla transizione all’Osservatorio SKA cliccare qui.

SKA condurrà la scienza della trasformazione e contribuirà ad affrontare le lacune fondamentali nella nostra comprensione dell’Universo, tra cui la formazione e l’evoluzione delle galassie, la fisica fondamentale in ambienti estremi e le origini della vita nell’Universo.