Les interférences radio des satellites menacent l’astronomie

Tout comme le développement humain entraîne davantage de pollution lumineuse, le nombre croissant de satellites entraîne davantage d’interférences radio.

La lumière visible n’est qu’une partie du spectre électromagnétique que les astronomes utilisent pour étudier l’univers. Le télescope spatial James Webb a été construit pour voir la lumière infrarouge, d’autres télescopes spatiaux capturent des images à rayons X et des observatoires comme le télescope Green Bank, le Very Large Array, le Atacama Large Millimeter Array et des dizaines d’autres observatoires à travers le monde travaillent à longueurs d’ondes radio.

Les radiotélescopes sont confrontés à un problème. Tous les satellites, quelle que soit leur fonction, utilisent les ondes radio pour transmettre des informations à la surface de la Terre. Tout comme la pollution lumineuse peut masquer un ciel nocturne étoilé, les transmissions radio peuvent submerger les ondes radio que les astronomes utilisent pour en savoir plus sur les trous noirs, les étoiles en formation et l’évolution des galaxies.

Nous sommes trois scientifiques travaillant dans le domaine de l’astronomie et de la technologie sans fil. Avec des dizaines de milliers de satellites qui devraient entrer en orbite dans les années à venir et une utilisation croissante au sol, le spectre radio devient encombré. Les zones de silence radio – des régions, généralement situées dans des régions éloignées, où les transmissions radio au sol sont limitées ou interdites – ont protégé la radioastronomie dans le passé.

Alors que le problème de la pollution radioélectrique continue de croître, les scientifiques, les ingénieurs et les décideurs politiques devront trouver comment chacun peut partager efficacement la gamme limitée de fréquences radio. Une solution sur laquelle nous travaillons depuis quelques années est de créer une installation où les astronomes et les ingénieurs peuvent tester de nouvelles technologies pour empêcher les interférences radio de bloquer le ciel nocturne.

Astronomie avec les ondes radio
Les ondes radio sont les émissions de longueur d’onde la plus longue du spectre électromagnétique, ce qui signifie que la distance entre deux pics de l’onde est relativement éloignée. Les radiotélescopes collectent les ondes radio dans des longueurs d’onde allant du millimètre au mètre.

Première image du trou noir
La première image directe d’un trou noir a été créée à l’aide du télescope Event Horizon, combinant les observations de huit radiotélescopes.
Observatoire européen austral/Wikimedia Commons, CC BY
Même si vous n’êtes pas familier avec les radiotélescopes, vous avez probablement entendu parler de certaines des recherches qu’ils effectuent. Les premières images fantastiques de disques d’accrétion autour de trous noirs ont toutes deux été produites par le télescope Event Horizon. Ce télescope est un réseau mondial de huit radiotélescopes, et chacun des télescopes individuels qui composent le télescope Event Horizon est situé dans un endroit avec très peu d’interférences de radiofréquence : une zone de silence radio.

Une zone de silence radio est une région où les émetteurs au sol, comme les tours de téléphonie cellulaire, doivent réduire leurs niveaux de puissance afin de ne pas affecter les équipements radio sensibles. Les États-Unis ont deux zones de ce type. La plus grande est la National Radio Quiet Zone, qui couvre 13 000 milles carrés (34 000 kilomètres carrés), principalement en Virginie-Occidentale et en Virginie. Il contient l’Observatoire de Green Bank. L’autre, le Table Mountain Field Site and Radio Quiet Zone, dans le Colorado, soutient la recherche par un certain nombre d’agences fédérales.

Des zones de silence radio similaires abritent des télescopes en Australie, en Afrique du Sud et en Chine.

De grandes constellations de satellites, comme celles de Starlink, peuvent être vues défiler en lignes dans le ciel nocturne et nuire à la fois à l’astronomie visible et radio.
Un boom des satellites
Le 4 octobre 1957, l’Union soviétique a lancé Spoutnik en orbite. Alors que le petit satellite tournait autour du globe, les amateurs de radio amateur du monde entier ont pu capter les signaux radio qu’il renvoyait vers la Terre. Depuis ce vol historique, les signaux sans fil sont devenus partie intégrante de presque tous les aspects de la vie moderne – de la navigation aérienne au Wi-Fi – et le nombre de satellites a augmenté de façon exponentielle.

Plus il y a de transmissions radio, plus il devient difficile de gérer les interférences dans les zones de silence radio. Les lois existantes ne protègent pas ces zones des émetteurs satellites, ce qui peut avoir des effets dévastateurs. Dans un exemple, les transmissions d’un satellite Iridium ont complètement obscurci les observations d’une étoile faible faites dans une bande protégée allouée à la radioastronomie.

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Deux images du Very Large Array au Nouveau-Mexique montrent à quoi ressemble une étoile faible pour un radiotélescope sans interférence satellite, à gauche, et avec interférence satellite, à droite.
G. Taylor, UNM, CC BY-ND
Les réseaux Internet par satellite comme Starlink, OneWeb et d’autres survoleront éventuellement tous les endroits de la Terre et transmettront des ondes radio jusqu’à la surface. Bientôt, aucun endroit ne sera vraiment calme pour la radioastronomie.

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Les interférences radio des satellites menacent l’astronomie
Tout comme le développement humain entraîne davantage de pollution lumineuse, le nombre croissant de satellites entraîne davantage d’interférences radio.
Par Christopher Gordon De Pree, La conversation, Christopher R. Anderson, La conversation, Mariya Zheleva, La conversation | Publié: jeudi 9 mars 2023
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GreenBankTélescope
Les observatoires radio comme le télescope Green Bank se trouvent dans des zones de silence radio qui les protègent des interférences.
NRAO/AUI/NSF, CC BY
La lumière visible n’est qu’une partie du spectre électromagnétique que les astronomes utilisent pour étudier l’univers. Le télescope spatial James Webb a été construit pour voir la lumière infrarouge, d’autres télescopes spatiaux capturent des images à rayons X et des observatoires comme le télescope Green Bank, le Very Large Array, le Atacama Large Millimeter Array et des dizaines d’autres observatoires à travers le monde travaillent à longueurs d’ondes radio.

Les radiotélescopes sont confrontés à un problème. Tous les satellites, quelle que soit leur fonction, utilisent les ondes radio pour transmettre des informations à la surface de la Terre. Tout comme la pollution lumineuse peut masquer un ciel nocturne étoilé, les transmissions radio peuvent submerger les ondes radio que les astronomes utilisent pour en savoir plus sur les trous noirs, les étoiles en formation et l’évolution des galaxies.

Nous sommes trois scientifiques travaillant dans le domaine de l’astronomie et de la technologie sans fil. Avec des dizaines de milliers de satellites qui devraient entrer en orbite dans les années à venir et une utilisation croissante au sol, le spectre radio devient encombré. Les zones de silence radio – des régions, généralement situées dans des régions éloignées, où les transmissions radio au sol sont limitées ou interdites – ont protégé la radioastronomie dans le passé.

Alors que le problème de la pollution radioélectrique continue de croître, les scientifiques, les ingénieurs et les décideurs politiques devront trouver comment chacun peut partager efficacement la gamme limitée de fréquences radio. Une solution sur laquelle nous travaillons depuis quelques années est de créer une installation où les astronomes et les ingénieurs peuvent tester de nouvelles technologies pour empêcher les interférences radio de bloquer le ciel nocturne.

Diagramme du spectre électromagnétique
Différents télescopes capturent différentes parties du spectre électromagnétique, les radiotélescopes collectant le rayonnement des longueurs d’onde les plus longues.
Charge inductive/NASA/Wikimedia Commons, CC BY-SA
Astronomie avec les ondes radio
Les ondes radio sont les émissions de longueur d’onde la plus longue du spectre électromagnétique, ce qui signifie que la distance entre deux pics de l’onde est relativement éloignée. Les radiotélescopes collectent les ondes radio dans des longueurs d’onde allant du millimètre au mètre.

Première image du trou noir
La première image directe d’un trou noir a été créée à l’aide du télescope Event Horizon, combinant les observations de huit radiotélescopes.
Observatoire européen austral/Wikimedia Commons, CC BY
Même si vous n’êtes pas familier avec les radiotélescopes, vous avez probablement entendu parler de certaines des recherches qu’ils effectuent. Les premières images fantastiques de disques d’accrétion autour de trous noirs ont toutes deux été produites par le télescope Event Horizon. Ce télescope est un réseau mondial de huit radiotélescopes, et chacun des télescopes individuels qui composent le télescope Event Horizon est situé dans un endroit avec très peu d’interférences de radiofréquence : une zone de silence radio.

Une zone de silence radio est une région où les émetteurs au sol, comme les tours de téléphonie cellulaire, doivent réduire leurs niveaux de puissance afin de ne pas affecter les équipements radio sensibles. Les États-Unis ont deux zones de ce type. La plus grande est la National Radio Quiet Zone, qui couvre 13 000 milles carrés (34 000 kilomètres carrés), principalement en Virginie-Occidentale et en Virginie. Il contient l’Observatoire de Green Bank. L’autre, le Table Mountain Field Site and Radio Quiet Zone, dans le Colorado, soutient la recherche par un certain nombre d’agences fédérales.

Des zones de silence radio similaires abritent des télescopes en Australie, en Afrique du Sud et en Chine.

De grandes constellations de satellites, comme celles de Starlink, peuvent être vues défiler en lignes dans le ciel nocturne et nuire à la fois à l’astronomie visible et radio.
Un boom des satellites
Le 4 octobre 1957, l’Union soviétique a lancé Spoutnik en orbite. Alors que le petit satellite tournait autour du globe, les amateurs de radio amateur du monde entier ont pu capter les signaux radio qu’il renvoyait vers la Terre. Depuis ce vol historique, les signaux sans fil sont devenus partie intégrante de presque tous les aspects de la vie moderne – de la navigation aérienne au Wi-Fi – et le nombre de satellites a augmenté de façon exponentielle.

Plus il y a de transmissions radio, plus il devient difficile de gérer les interférences dans les zones de silence radio. Les lois existantes ne protègent pas ces zones des émetteurs satellites, ce qui peut avoir des effets dévastateurs. Dans un exemple, les transmissions d’un satellite Iridium ont complètement obscurci les observations d’une étoile faible faites dans une bande protégée allouée à la radioastronomie.

Les réseaux Internet par satellite comme Starlink, OneWeb et d’autres survoleront éventuellement tous les endroits de la Terre et transmettront des ondes radio jusqu’à la surface. Bientôt, aucun endroit ne sera vraiment calme pour la radioastronomie.

Interférence dans le ciel et au sol
Le problème des interférences radio n’est pas nouveau.

Dans les années 1980, le système mondial de navigation par satellite russe – essentiellement la version soviétique du GPS – a commencé à émettre sur une fréquence officiellement protégée pour la radioastronomie. Les chercheurs ont recommandé un certain nombre de correctifs pour cette interférence. Au moment où les opérateurs du système de navigation russe ont accepté de modifier la fréquence de transmission des satellites, beaucoup de mal avait déjà été fait en raison du manque de tests et de communication.

De nombreux satellites surveillent la Terre en utilisant des parties du spectre radio pour surveiller des caractéristiques telles que l’humidité du sol en surface qui sont importantes pour les prévisions météorologiques et la recherche sur le climat. Les fréquences dont ils dépendent sont protégées par des accords internationaux mais sont également menacées par les interférences radio.

Une étude récente a montré qu’une grande partie des mesures d’humidité du sol de la NASA subissent des interférences provenant des systèmes radar au sol et de l’électronique grand public. Il existe des systèmes en place pour surveiller et comptabiliser les interférences, mais éviter complètement le problème grâce à la communication internationale et aux tests de pré-lancement serait une meilleure option pour l’astronomie.

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La plupart des radiotélescopes, comme le Atacama Large Millimeter Array au Chili, se trouvent dans des zones éloignées de toute source d’interférence. Mais un nouveau site conçu pour tester les technologies et les solutions d’interférence pourrait prévenir de futurs problèmes.
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Guarda, CC BY
Solutions à un spectre radio encombré
Alors que le spectre radio continue de s’encombrer, les utilisateurs devront partager. Il peut s’agir d’un partage dans le temps, dans l’espace ou en fréquence. Quelles que soient les spécificités, les solutions devront être testées dans un environnement contrôlé. Il y a des premiers signes de coopération. La National Science Foundation et SpaceX ont récemment annoncé un accord de coordination de l’astronomie au profit de la radioastronomie.

En collaboration avec des astronomes, des ingénieurs, des spécialistes des logiciels et du sans fil, et avec le soutien de la National Science Foundation, nous avons dirigé une série d’ateliers pour développer ce qu’une zone dynamique radio nationale pourrait apporter. Cette zone serait similaire aux zones de silence radio existantes, couvrant une vaste zone avec des restrictions sur les transmissions radio à proximité. Contrairement à une zone calme, l’installation serait équipée de moniteurs de spectre sensibles qui permettraient aux astronomes, aux sociétés de satellites et aux développeurs de technologies de tester ensemble des récepteurs et des émetteurs à grande échelle. L’objectif serait de soutenir les utilisations créatives et coopératives du spectre radio. Par exemple, une zone établie à proximité d’un radiotélescope pourrait tester des schémas pour fournir un accès à une bande passante plus large pour les utilisations actives, comme les tours cellulaires, et les utilisations passives, comme les radiotélescopes.

Pour un nouvel article que notre équipe vient de publier, nous nous sommes entretenus avec des utilisateurs et des régulateurs du spectre radio, allant des radioastronomes aux opérateurs de satellites. Nous avons constaté que la plupart étaient d’accord sur le fait qu’une zone dynamique radio pourrait aider à résoudre, et potentiellement à éviter, de nombreux problèmes d’interférence critiques dans les décennies à venir.

Une telle zone n’existe pas encore, mais notre équipe et de nombreuses personnes à travers les États-Unis travaillent à affiner le concept afin que la radioastronomie, les satellites de détection de la Terre et les systèmes sans fil gouvernementaux et commerciaux puissent trouver des moyens de partager la précieuse ressource naturelle qui est le spectre radio.