想象一下这样一个世界：为天气预报和全球宽带互联网等关键服务提供工作的人员，不得不在活跃的射击场上躲避子弹的同时工作。至少，你可能会担心他们的安危，对吧？
这实际上并非虚构的情景：我们想象的世界就是我们自己的世界，射击场是地球轨道，而面临风险的“工作人员”是那里的卫星（以及载人飞行器和栖息地），它们受到数量激增的太空垃圾的威胁。自太空时代开始，即第一颗人造卫星“ спутник 1”号发射以来，已经过去了近 70 年。在那段时间里，我们头顶的天空已经被数千个废弃的火箭箭体、报废的航天器和大型硬件碎片所占据，所有这些都以危险的高速绕地球运行。
美国空军监测着近地轨道（LEO）中大约 25,000 块垃圾，近地轨道是航天活动最繁忙和最拥挤的区域，包括海拔 2,000 公里或更低的轨道。目前的望远镜和雷达技术将可追踪的最小碎片限制在直径约 10 厘米，大约是一个百吉饼的大小。其他一切——而且数量相当多，主要是数百万片油漆碎片和航天器碎片——都太小而无法进行当前编目，但仍然可能构成极大的危险。这种所谓的致命的、不可追踪的碎片可以大约每秒 10 公里，或每小时超过 22,000 英里的速度绕地球运行，这意味着即使是一个原本不起眼的小点也会产生强大的冲击力。事实上，2016 年，当一块毫米大小的碎片击中欧洲航天局（ESA）的 Sentinel-1A 卫星的太阳能电池板时，撞击力非常大，以至于在面板上打出了一个 40 厘米的孔，并使卫星倾斜。对人类的风险也不容忽视。就在几周前，一颗退役的俄罗斯卫星解体成 100 多个大型碎片，导致国际空间站的宇航员进入避难所，这起事件可能是与类似的未编目碎片碰撞造成的。
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“它们有很多。它们没有被追踪。而且它们很危险，”天体物理学家乔纳森·C·麦克道尔在谈到微小的太空垃圾碎片时说。“在轨道速度下，即使是很小的物体也会真的撞到你。”
由于没有人能清楚地看到所有这些微小的碎片，因此不可能向卫星运营商发出即将发生的、可能造成灾难性碰撞的警报——更不用说了解威胁的真实规模了。
但这可能很快就会改变。美国政府现在正试图开发一种实时监测能力，用于监测数百万个超微小太空垃圾碎片——即从 10 厘米到 1 毫米大小——遍布整个近地轨道甚至更远区域。这项名为太空碎片识别和追踪（SINTRA）计划的工作涉及来自十几个机构的 100 多名科学家。作为关键的第一步，SINTRA 正在利用超级计算机和人工智能算法，对广泛的档案数据进行训练，以检测微小、快速移动的碎片产生的明显特征。示例包括两块垃圾碰撞时产生的短暂光 burst，以及碎片划过地球带电高层大气时产生的微弱的波状等离子体尾迹，科学家们怀疑这两种特征都可以用来帮助追踪和研究危险的漂浮物。
为了支持这项工作，位于华盛顿特区的海军研究实验室（NRL）的研究人员将很快寻求通过在一个大型真空室内将铝、硅和航空航天级塑料等常见卫星材料的碎片加速到超高速来复制其中一些效应。结果——包括闪电般的 burst 发生的特定频率、它们持续的时间以及碰撞后尘埃云形成和扩张的速度——然后可以用来更好地训练算法。这将确保团队能够挖掘出更多无意中记录在档案中的过去碰撞事件。最终的结果可能是一项大规模的日常操作，用于追踪数百万个微小碎片，并为可能与工作卫星发生的碰撞创建新的预警系统。
“这反映了我们的挑战和能力是如何增长的，以至于人们可以考虑这样做，”未参与 SINTRA 计划的麦克道尔说。“要将太空追踪提升到下一个数量级需要做很多工作，但这是必须完成的。”
作为更广泛的、政府范围内的努力的一部分，为了解决太空碎片风险，SINTRA 于去年 8 月由情报高级研究项目活动署（IARPA）正式启动，IARPA 是一个联邦组织，赞助研究项目以造福国家情报界。“我们正在努力彻底改变我们看待问题的方式，”IARPA 的 Alexis Truitt 说，他领导该计划。“SINTRA 非常符合这一愿景。”
她拒绝透露该项目的成本，但表示推动这项最先进的工作“需要大量投资”。一份关于该计划的公开的问答指出，IARPA 历来将其项目预算定在 5000 万美元到 1 亿美元之间，单个团队的合同通常上限为 2500 万美元。“在 IARPA，我们遵循高风险、高回报的模式，”Truitt 说，“因为我们将承担相当大的风险来解决我们政府合作伙伴可能认为风险过高而无法追求的难题。”
追踪不可追踪之物
即使是微小的太空碎片撞击所伴随的巨大能量，也可能被证明对于更好地全面了解究竟有多少垃圾在地球周围旋转至关重要。
先前的研究表明，当两个微小的物质以极高的速度碰撞时，它们会崩解成带电气体和微小碎片云，随着云的膨胀，会产生强烈的光 burst——有点像微型雷电。当带电碎片相互擦过时，也会产生电脉冲。密歇根大学的一个团队作为 SINTRA 项目的一部分进行的最新模拟显示，这些辐射足够强，可以被地球上的仪器接收到，例如 NASA 深空网络的无线电天线。在 NRL 的超高速实验以及随后的碎片侦察人工智能的算法训练之后，研究人员希望每天在太空中发现多达 100 次小规模碰撞。
“以前从未有人做过，”密歇根大学的 Mojtaba Akhavan-Tafti 说，他是进行最新模拟的团队成员，也是 SINTRA 项目的科学家。“这是一个由这项研究创建的新领域，因此你没有多年从事这项工作的同事可以去问问题。”
同样，位于加利福尼亚州的非营利性研究机构 SRI International 的科学家们正在训练地面雷达和其他仪器，以探测由撞击轨道碎片引起的在我们地球高层大气中产生的微弱尾迹。发现和跟踪这些轨迹应该能够让观察者识别和定位相应的垃圾碎片。同一个团队还计划使用斯坦福大学的大型射电望远镜（绰号“Dish”）进行测试，看看研究人员是否可以使用雷达信号来绘制更多微小的轨道碎片地图。
“我们正在解决一些非常棘手的问题，”Truitt 说。“碎片问题比一个实体能够处理的要大，因此 [SINTRA] 只是更大拼图中的一小块。”
欧洲航天局（ESA）的这段动画展示了地球轨道上不同类型和大小的太空碎片，从大型卫星（红色）和火箭箭体（黄色）到惰性完整物体（绿色）和碎片（蓝色）。有关小于 10 厘米的碎片的信息基于 ESA 的统计模型。
SINTRA 人员正在思考的另一个难题是如何处理预计来自持续追踪数百万个碎片物体的碰撞警报的急剧增加。卫星运营商通常会在一周前收到美国太空部队第 18 太空防御中队发出的令人担忧的可能碰撞的通知，该中队通过其太空监视网络监测已知的轨道碎片。但是，由于机动所需的巨大燃料成本以及来自高度动态轨道环境的不确定性，躲避的决定“尽可能晚地做出”，通常在最后 24 小时内，ESA 的太空碎片减缓工程师 Francesca Litizia 说。但是，对于这些决定至关重要的数据——例如潜在碰撞轨道上的物体是否可以机动，如果可以，哪一方应该转向——通常不可用或不是最新的。“现在我们仍然必须打电话给 [卫星运营商]，并希望有人在另一端接听，”未直接参与 SINTRA 计划的 Litizia 说。“当然，这在未来是不可扩展的。”
“我们需要彻底改变我们向卫星运营商提供警报的方式，”Truitt 承认。
轨道垃圾过多
“我们认为太空非常大，但我们忽略了一个事实，即人类也非常擅长制造环境垃圾，”Akhavan-Tafti 说。与地球 45 亿年的历史相比，在不到七十年的太空活动中积累了如此多的轨道垃圾——只是眨眼之间——确实令人震惊。研究轨道碎片的外太空研究所联合主任天文学家 Aaron C. Boley 希望 SINTRA 将“提高人们对已完成工作的认识，以便我们在使用近地轨道时更加谨慎。”
最近的多个里程碑为改进带来了希望。其中最重要的是美国联邦通信委员会（FCC）2022 年的裁决，该裁决根据长期以来的指导方针，将报废卫星允许在轨道上停留的时间从 25 年缩短至 5 年。去年，ESA 也效仿推出了“零碎片宪章”，这是一套针对其 22 个成员国和全球航天界遵循的指导方针，旨在到 2030 年实现碎片中性。印度也已发誓到本十年末实现无碎片任务。许多科学家希望其他航天大国很快将类似的实践应用于他们自己的太空资产。“这些类型的法规的存在非常重要，这样每个人都可以从太空环境中受益，”Akhavan-Tafti 说。
任何清理我们轨道垃圾的努力都将从确定物体的位置开始，因此 SINTRA 和其他碎片探测计划似乎注定要成为未来太空活动的重要推动者。然而，同样重要的是要解决根本问题——数千个大型废弃航天器和火箭级，它们最初制造了大部分较小的碎片，Boley 说。“那将很难，”他补充道。“这些东西有校车那么大，而且还在快速旋转。”
尽管如此，多家商业碎片清除服务公司仍渴望迎接挑战。其中值得注意的是 Astroscale，这是一家总部位于东京的初创公司，最近受日本政府委托，通过与轨道上的一个废弃火箭级交会并将其移除来展示其能力。展望未来，总部位于瑞士的初创公司 ClearSpace 计划在 2026 年启动一项由 ESA 资助的任务，以与一块巨大的太空碎片会合并使其脱离轨道。
即使这些方法被证明非常有效，Boley、Akhavan-Tafti 和其他接受本次报道采访的科学家都表达了一个共同的担忧：任何清除地球轨道垃圾的努力能否抵消人类保持现状的普遍趋势，即将天空本身视为垃圾场？历史的教训令人沮丧；长期以来被认为太大太遥远而不会受到人类弱点影响的领域，正日益受到人类弱点的破坏。我们海洋中的塑料、我们空气中的污染以及曾经是森林的空旷荒地，都默默地证明了我们的傲慢。现在，类似的事情正在天空中再次上演，而我们才刚刚开始理解其中的含义。
“我担心的是，我们如何不断地这样做，并且似乎没有吸取教训，”Boley 说。“在悲剧发生之前，我们仍然有机会做些什么。”