特集世界中の何百人もの科学者が、低軌道衛星が天文学を破壊するのを防ぐために、静かにボランティア活動を行っています。
宇宙はますます混雑しつつあります。技術の進歩に伴い、宇宙への物体の打ち上げは商業企業にとってより安価でアクセスしやすくなりました。民間企業も参入し、独自の衛星を低軌道に打ち上げ、自社の衛星群からますます高速な無線ブロードバンドインターネットを提供することを約束しています。
スペースXが2018年にスターリンク衛星の打ち上げを開始したとき、天文学界は、飛行する金属塊が夜空を明るく照らし、遠くの星や銀河の輝きをかき消してしまう可能性があることに気づきました。望遠鏡の前を高速で飛ぶスターリンク衛星の群れは、その航跡にまばゆいばかりの筋を残し、天文学者による宇宙の観測を困難にしていました。
問題は悪化する一方だ。SpaceXは現在、1,600基以上のインターネット中継衛星を上空に打ち上げており、Amazon、OneWeb、ボーイングといった企業も同様の計画を進めている。
SpaceXは4万2000基の衛星を打ち上げる計画があり、Amazonは7774基の打ち上げ許可を申請している。
2018年のペルセウス座流星群の眺めを台無しにする明るい衛星状の筋（クリックして拡大）。画像提供：エックハルト・スラウィク
「私たちは間違いなく科学データを失っています」と、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの天文学者、ジョナサン・マクドウェル氏はThe Register紙に語った。「どれだけのデータが失われるかは、最終的にどれだけの衛星が存在するかによって決まります。時折、データが失われることもあります。現時点では、10枚に1枚の割合です。」
望遠鏡は、画像を撮影する前に衛星群が通過するのを待つこともできるが、例えば天文学者が地球近傍小惑星や彗星などの動く物体を追跡しようとしている場合、この障害を避けるのは不可能かもしれない。
「衛星の数が増えると、撮影した画像に複数の筋が現れ始めます。これはもはやイライラするどころか、科学技術が失われていることを意味します。10年後には、衛星の数が多すぎて対応できなくなるかもしれません」と彼は付け加えた。
マクドウェル氏は、アメリカ天文学会主催のワークショップ「SATCON2」のアルゴリズム・グループの共同議長を務め、衛星数がまだ少ない今、科学者たちは手遅れになる前に、この問題を軽減する方法を見つけ出す必要があると警告した。彼らが検討し始めた解決策の一つは機械学習だ。AIソフトウェアを訓練することで、天文画像に写る明るい衛星の筋を自動的に隠すことが可能になるかもしれない。
ワークショップの長大な報告書[PDF]に盛り込まれた提言の一つは、天文学者とコンピュータ科学者からなるチームを編成し、将来の研究者が利用できるオープンソースツールを開発することです。アルゴリズムを構築するには、様々な望遠鏡で撮影された画像からなるデータセットを収集する必要があります。撮影された画像には、衛星の航跡があるものとないものの両方が写っている必要があります。こうすることで、コンピュータービジョンアルゴリズムに、厄介な縞模様を検出し、ピクセルを調整して隠すように学習させることができます。
ワークショップのリーダーたちは、将来のツールのための中核ハブを真剣に構築するために、天文台間の連携を構築し、研究資金を確保しようと努めています。現在、この問題に取り組むことに関心を持つ天文学者たちは、余暇を利用していたり、様々な学術プロジェクトに散在したりしています。
AIは魔法はできない
カナダ、ビクトリア大学の研究者、ホッセン・テイモオリニア氏は、しばらくの間、様々な手法を実験してきた。「移動物体を見つけるために衛星の痕跡を取り除こうとするには、非常に優れたデータセットを準備する必要があります」と、彼はEl Reg誌に語った。
天文台や研究機関から画像を収集するだけでなく、衛星の干渉の有無にかかわらず、全く同じ宇宙空間を映し出す必要があり、サイズや解像度が同じになるように前処理するなど、様々な条件を満たす必要があります。もう一つの可能性としては、夜空の鮮明な画像に人工的な軌跡を追加して、訓練用サンプルの数を増やすというものがあります。
- あなたはどちらを好みますか: 衛星からストリーミングされる猫の GIF か、それとも小惑星による大惨事の早期警告か?
- 夜空はいかがですか？The Regが宇宙飛行士マーク・マコーリアンにStarlinkと軌跡についてインタビュー
- スペースXのスターリンク衛星ブロードバンドコンステレーションは9月までに全世界をカバーする予定だと同社幹部が主張
- 軌道上のゴミを廃棄？ASTRIAGraphデータベースプロジェクトの立案者は「宇宙を透明にする」ことを目指している
「少し時間がかかります。しかし、1つのメインモデルを訓練し、転移学習を用いて、異なる望遠鏡で撮影された異なる画像に対応できるよう微調整できるようになることを期待しています」とテイモリニア氏は語る。
しかし、様々な望遠鏡の多様な特性に対応できる堅牢な単一モデルを開発するのは容易ではない。望遠鏡はそれぞれ解像度、ノイズ特性、露出時間、そして動作する波長が異なるからだ。「特定の望遠鏡に適応するアルゴリズムを構築する必要があるかもしれません。複雑な作業です」とマクダウェル氏は言う。
理想的には、これらのツールは将来、使いやすい Python ライブラリとしてパッケージ化され、天文学者が独自の画像に適用できるようになるでしょう。
しかし、AIは魔法のようなことはできないとテイモオリニア氏は警告する。その過程で、依然として一部の科学的成果は失われるだろう。機械学習によって醜い衛星の軌跡を消し、天文学者が小惑星や彗星を監視できるようになったとしても、そのきらめく軌跡に遮られた星や銀河も消えてしまう。小惑星や彗星が空を移動する様子をフレームごとに追跡することはできるが、星や銀河は衛星の軌跡に隠れたままになる傾向があり、クリーンアップ作業中に消えてしまうのだ。
物事を見る
これらの金属製の鳥の集団は太陽光を反射し、その無線信号が測定に干渉する可能性があることを忘れてはなりません。その結果、天文学者が光のレベルを正確に記録して遠くの星までの距離や温度を推定したり、新しい銀河を発見したりすることが困難になる可能性があります。
時にはその逆のことが起こることもあり、空に何かが光っていると天文学者が物体を観測しにくくなるだけでなく、存在しないものが見えてしまうこともあります。
観測可能な宇宙で最も遠い銀河GN-z11からの閃光は、研究界に大きな衝撃を与えた。人々は、爆発する巨大な死せる星、あるいはブラックホールから発せられる、これまでで最も遠方のガンマ線閃光を観測したと信じていた。しかし現在では、天文学者がGN-z11を観測していた際に、たまたま視界に入っていたロシアの使用済みロケットの破片の反射光だったのではないかと考える者もいる。
マクドウェル氏は、将来、ブロードバンド衛星でも同様のミスが起こる可能性があると指摘する。「衛星の影響は多くの場合非常に明白ですが、そうでない場合にはより微妙です。衛星からの光が分光用の光ファイバーに送られると、衛星からの反射光によってスペクトルが汚染される可能性があります。気づかないうちにデータが台無しになる可能性があります。普通の銀河が突如として非常に興味深いものに見えるのです。明るい光によって、何か奇妙なことが起こっているように見えるのです。」
地球の夜空を暗く保つために協力しましょう
機械学習による画像処理が万能薬にならないことは明らかです。この深刻な問題に対処するには、より抜本的な対策、つまり宇宙空間に浮かぶ低軌道衛星の数を全体的に制限する必要があるかもしれません。一体いくつまでが多すぎると言えるのでしょうか？宇宙空間を観測可能な状態に保つために、宇宙空間に同時存在できる衛星の最大数はどれくらいなのでしょうか？
「それは現時点では推測に過ぎません」と、米国のスチュワード天文台の天文学者リチャード・グリーン氏はThe Registerに語った。
グリーン氏は、1967年に調印され、「宇宙空間はすべての国による探査と利用が自由である」ことと、「各国は宇宙空間と天体の有害な汚染を回避する」ことを保証した国連宇宙条約が、地球低軌道への世界的な衛星打ち上げを規制するために活用できると考えている。
ブロードバンドサービスを提供するために宇宙に機器を送り込んでいるのはアメリカだけではない。たとえ打ち上げられる衛星の数を制限しようとしたとしても、アメリカだけでは問題を解決できない。「イギリスとカナダもそうしています。中国も同様ですが、そこで何が起こっているのかはあまり分かっていません」とグリーン氏は言う。
世界中の国々の協力が必要であり、国際天文学連合が国連宇宙空間平和利用委員会に訴えようとしているにもかかわらず、この問題に関する包括的な国際的議論はまだ行われていない。「新たな政策を真剣に実施する必要がある。さもなければ、宇宙は先着順で占有されるような、誰もが自由に使える状態になってしまうだろう」と彼は付け加えた。
宇宙は皆のものであり、これまでの発見は私たち全員に影響を与えるとマクダウェル氏は結論づける。「例えば、私たち全員が星の塵でできているという事実など、私たち自身について学んだ基本的な事実は、今まさに重要な意味を持っています。そして、衛星のおかげで、次の世紀に何が発見されるのか、あるいは何が発見されないのか、誰にも分からないのです。」®
