Projet Starlink : l’astrophotographie et la recherche astronomique en danger ?

L’astrophotographie et la recherche astronomique sont-elles en danger ? Depuis quelques années, plusieurs initiatives privées – comme le projet Starlink d’Elon Musk – engendrent une multiplication des satellites à basse altitude. Problème : ces derniers peuvent être très visibles sur les photographies de la voûte céleste, et ont donc un impact certain pour les photographes et les astrophysiciens. Pourquoi ces satellites sont-ils aussi visibles ? Pourquoi sont-ils placés à basse orbite ? Quelles conséquences pour la recherche et l’astrophoto, et quelles solutions peuvent être mises en œuvre par les photographes et les scientifiques ? Éléments de réponse dans ce dossier.

Quand des satellites du projet Starlink interrompent une séance d’astrophoto

La scène : une superbe nuit du mois de mai, en plein cœur de la campagne en Normandie. L’auteur de ces lignes souhaitait profiter d’un ciel particulièrement clair pour réaliser une série de photographies de la voûte céleste, loin des villes et de leur pollution lumineuse.

Quand soudain, un grand nombre de points lumineux, parfaitement alignés, traversent le ciel. Parmi les photos capturés, l’une d’entre elles présente une longue traînée lumineuse, qui vient « rayer » la photographie de part en part.

Des avions ou des hélicoptères ? Non, car ces dizaines de points étaient parfaitement silencieux. Des ovnis ? Une hypothèse sans doute séduisante pour certains, mais légèrement farfelue pour d’autres… Après quelques recherches, il s’avère que ce « train » de points lumineux ne sont autres que des satellites du projet Starlink.

Conçu par Elon Musk et son entreprise SpaceX, le projet Starlink vise à permettre l’accès à Internet partout dans le monde, grâce à plusieurs milliers de satellites de télécommunication. Vers 2025, pas moins de 12 000 satellites en orbite basse doivent servir au projet Starlink – et Elon Musk a demandé l’autorisation pour le lancement de 30 000 satellites supplémentaires, soit un total de 42 000 satellites .

Cette multiplication astronomique du nombre de satellites – et les « rayures » qu’ils provoquent – incarnent-ils une menace sur l’astrophotographie et, plus largement, sur la recherche astronomique ? C’est ce que nous vous proposons de découvrir.

Pourquoi distingue-t-on les satellites de Starlink à l’œil nu ? Pourquoi forment-ils comme un « train » de satellites ?

Le projet Starlink de SpaceX repose sur plusieurs milliers de micro-satellites. La 1e phase comprend l’envoi de 1584 satellites. À l’écriture des lignes de cet article, 1385 satellites ont déjà été lancés. Mais à terme, pas moins de 42 000 satellites doivent tourner autour de la Terre pour offrir une connexion 5G partout dans le monde, même dans les endroits les plus reculés (dans les régions polaires, par exemple). L’ouverture du service est prévue pour le mois de septembre 2021.

Ces satellites sont censés s’éparpiller tout autour du globe. Mais ils sont envoyés par « grappes ». Le 26 mai 2021, SpaceX a lancé pas moins de 60 satellites en un seul tir pour sa constellation Starlink. Sur le seul mois de mai, pas moins de 4 tirs ont été réalisés pour le projet d’Elon Musk.

Libérés ensemble, ces satellites vont apparaître à la queue leu leu, avant de se séparer progressivement et de rejoindre leur trajectoire d’orbite.

Pourquoi les satellites de Starlink sont-ils aussi visibles ?

Au moment de leur lancement – et par nuit très claire – les satellites de Starlink sont particulièrement visibles. Et ce, malgré les mesures prises par SpaceX pour réduire l’intensité lumineuse de ses satellites.

En effet, les satellites sont déployés à une altitude très basse (environ 291 km de la Terre). Une fois libérés, ils déploient leurs panneaux solaires et allument leur moteur ionique (utilisant du krypton) pour rejoindre leur orbite finale, à 550 km d’altitude.

Concrètement, l’intensité lumineuse des corps céleste est désignée par la magnitude. Plus un objet est lumineux, plus le nombre est bas. Les étoiles les plus brillantes ont une magnitude de -1 ; les étoiles les moins visibles à l’œil nu ont une magnitude de +6. Avec une paire de jumelles, on peut discerner des objets d’une magnitude de +7 ou +8. Le télescope spatial Hubble, quant à lui, peut percevoir des corps d’une magnitude allant jusqu’à +31.

Au moment de leur lancement, les satellites de Starlink ont une magnitude de +2. Une fois placés sur leur orbite, leur magnitude diminue, pour se situer vers +5. Ils peuvent donc être considérés comme des objets célestes particulièrement lumineux.

Pourquoi les satellites de Starlink sont-ils placés sur des orbites aussi basses ?

Tous les satellites n’évoluent pas à la même distance de la Terre. Les satellites géostationnaires, qui servent notamment pour la météo, gravitent à 36 000 km d’altitude. D’autres satellites, destinés à la navigation par GPS, sont placés entre 10 000 et 20 000 km d’altitude.

Enfin, la majorité des satellites (environ 65 %) sont placés en orbite basse, entre 500 et 2000 km. Comme on l’a vu, les satellites de Starlink, quant à eux, sont placés très près de la Terre (550 km).

À cela, plusieurs avantages indéniables : une moindre énergie nécessaire au lancement, mais aussi – et surtout – une latence beaucoup plus faible entre le satellite et la Terre. Un point crucial pour permettre une connexion à Internet rapide, partout dans le monde.

Et du coup, le projet Starlink signe-t-il la mort de l’astrophotographie ?

De par leur proximité avec la Terre, les satellites de Starlink sont facilement observables. Toutefois, ils sont loin d’être les seuls à être visibles à l’œil nu : l’ISS ou la station spatiale chinoise Tianhe sont par exemple aussi visibles.

Par ailleurs, d’autres projets concurrents de Starlink pourraient voir le jour dans les prochaines années. Ainsi, Jeff Bezos souhaite lancer plus de 8000 satellites pour le projet Kuiper d’Amazon. Le projet de OneWeb, en partenariat avec Airbus, prévoit lui aussi de lancer 600 satellites à partir de 2022. En tout, il risque d’y avoir près de 100 000 satellites en orbite basse d’ici 20 ans.

Sans parler d’initiatives comme le projet « LightCube » de l’Arizona State University (en partenariat avec la NASA). Ce dernier est vu par de nombreux astronomes comme une aberration complète. En effet, son seul but est d’émettre un flash lumineux sur simple commande depuis la Terre avec un matériel radio accessible au commun des mortels.

Pire encore, des projets comme celui de la société russe StartRocket, qui envisage d’utiliser des satellites de très petite taille pour diffuser une publicité dans le ciel étoilé.

De fait, la multiplication exponentielle des satellites en orbite basse engendre des difficultés importantes pour les astrophotographes. Les clichés capturés en pose longue sont gâchés par les lignes dessinées au passage des satellites artificiels.

Heureusement, les capteurs des boîtiers photo sont de plus en plus performants. On peut ainsi se contenter de quelques secondes de temps de pose – tout en évitant l’apparition du bruit numérique sur son image.

En disposant d’une quantité suffisante d’images, on peut utiliser la technique du stacking dans un logiciel comme PixInsight (ou dans Photoshop). L’algorithme ne conserve que les pixels qui ont une valeur constante à travers les images. Comme les satellites ne restent jamais strictement au même endroit, ils sont « gommés » lors de l’intégration.

MP #204 : bien débuter en astrophotographie

D’autres solutions ont récemment vu le jour, comme le Stealth Transit system, mis au point par une équipe de scientifiques russes. Ce système vise à prédire le passage d’un satellite dans le champ de l’appareil (avec une précision d’environ 1 seconde). En fermant l’obturateur lors du passage du satellite – et en le rouvrant juste après – il évite la formation d’une ligne lumineuse dans l’image.

L’ennui, c’est qu’un satellite de Starlink repasse devant l’objectif environ toutes les 100 minutes. De par cette fréquence élevée – et par le nombre de satellites – ceci pose un énorme souci pour l’astrophotographie, mais aussi pour la recherche astronomique.

On the other hand, #Starlink satellites only take ~100 minutes to circle the globe, and they leave this garbage in our (and others) data!

Dude, take your head out from Uranus, and do something about it!#Starlinked

(ASAS-SN images from last night, flagged by @ZachWay96) https://t.co/qDsW7N6EJi pic.twitter.com/zbNOvdRwpZ

— Dr. ASAS-SN* (@SuperASASSN) June 14, 2021

Le projet Starlink va-t-il tuer la recherche astronomique ?

Lors du lancement des premiers satellites de Starlink, de nombreux astronomes ont été effarés devant la perturbation générée par ces nouveaux objets célestes. Les recherches sur les astéroïdes et les comètes sont notamment particulièrement touchées, alors qu’elles concernent les corps célestes les plus dangereux pour notre planète. En effet, les observations ne peuvent se faire qu’avant le lever du soleil et juste après le coucher du soleil – pile au moment où les satellites sont les plus visibles.

De même, les télescopes les plus sensibles se retrouvent « éblouis » pendant de longues minutes après le passage des satellites – un peu comme le capteur d’un appareil photo en enlevant le cache d’un seul coup. Le compte Twitter du réseau de télescope Super ASAS-S a multiplié les posts dénonçant le « photobombing » des satellites de Starlink. La communauté scientifique a également dénoncé à de multiples reprises l’absence de prise en compte de la brillance des satellites de Starlink.

Face à cela, le monde de la recherche s’organise. Depuis longtemps, l’observation de la voûte céleste ne repose plus sur les longueurs d’onde du visible. De plus en plus, on utilise les autres longueurs d’onde de la lumière, comme l’infrarouge. De même, l’astronomie millimétrique vient se placer entre les ondes radio (micro-ondes) et les ondes infrarouges pour mieux réussir à observer les corps célestes.

Par ailleurs, l’observation depuis l’espace est en train de se développer. On pense ainsi au télescope James-Webb, dont le lancement est prévu en octobre 2021 et qui doit venir remplacer le vénérable Hubble (lancé en 1990, et qui a cessé de fonctionner en juin 2021). D’autres projets visent aussi à installer des télescopes géants sur la Lune. Cette solution présente deux avantages.

• D’une part, la faible gravité lunaire exerce moins de contraintes sur la superstructure des télescopes géants (lesquels ont besoin d’être très rigides et n’aiment pas les déformations) ;
• D’autre part, l’absence d’atmosphère permet d’obtenir une bien meilleure résolution sur les images.

Mais du coup, le « problème Starlink » pour la recherche pourrait être réglé par les télescopes placés dans l’espace ?

La communauté scientifique a rappelé à de nombreuses reprises que toutes les observations spatiales ne peuvent être « délocalisées » dans l’espace ou sur la Lune. L’observation des corps célestes les plus lointains, l’étude des exoplanètes, l’identification d’objets potentiellement dangereux pour notre planète… sont bien plus efficaces depuis la Terre.

Par ailleurs, l’envoi de télescopes vers l’espace présente un certain nombre de contraintes, comme l’explique l’astrophysicien Ethan Seige :

• Taille : là où un télescope de grande taille peut être construit sur Terre, un télescope spatial devra « rentrer » dans la fusée qui l’enverra vers son orbite. Le télescope James-Webb dispose d’un miroir de 6,5 mètres de diamètre, là où le Télescope géant européen (ELT) possèdera un miroir de… 39 mètres. Or, dans l’espace, la taille compte. Plus le diamètre du miroir est élevé, plus la résolution de l’image est meilleure, et plus la quantité de lumière perçue est importante. De fait, les télescopes spatiaux ne sont pas à la hauteur dans certains domaines ;
• Fiabilité du lanceur : chaque lancement présente un risque d’échec élevé. En 2009, un satellite de la NASA chargé de mesurer le CO2 sur orbite n’a jamais été déployé. Son détachement de la fusée a échoué, et l’ensemble est tombé dans la mer après seulement 17 minutes ;
• Polyvalence : les télescopes situés au sol peuvent être ajustés avec une extrême précision pour observer des phénomènes célestes. À l’inverse, un satellite peut très difficilement être dévié de son orbite ;
• Maintenance : sans doute la contrainte la plus évidente. Le moindre souci de fonctionnement sur un télescope placé dans l’espace nécessite l’envoi d’une fusée. Une opération particulièrement coûteuse. A contrario, l’entretien d’un télescope terrestre est beaucoup plus facile. Si Hubble a duré 30 ans, un télescope terrestre, s’il dispose de l’entretien nécessaire, peut durer un siècle ;
• Évolutivité : le temps qu’un télescope spatial soit conçu, fabriqué et lancé, il peut se passer plusieurs années. Ses technologies sont donc déjà obsolètes, avant même qu’il n’ait envoyé sa première image vers la Terre. Dans le cas d’un télescope terrestre, il est infiniment plus aisé de retirer un équipement dépassé et de le remplacer par un nouveau – une opération qui peut être répétée à plusieurs reprises, du moment que le télescope demeure opérationnel.

Sans oublier la question des déchets spatiaux. Depuis le 1er lancement, 6 satellites de Starlink sont déjà hors service. Par ailleurs, ces satellites ont une faible durée de vie : seulement 5 à 7 ans. Si dans ce laps de temps, 1/10 des satellites tombent en panne, ils viendront s’ajouter aux (très) nombreux déchets spatiaux déjà présents à basse altitude, engendrant un risque de collision très important.

La communauté scientifique lance donc un cri d’alarme. Pour pouvoir continuer à mener des recherches vers l’infini de l’espace, il est primordial de ne pas se priver des possibilités offertes par l’observation terrestre. Dès lors, nombreux sont les scientifiques à appeler à une régulation des lancements de constellations de satellites – et à pointer les faiblesses de la FCC dans ce domaine. Il paraît donc primordial de ne pas laisser le cosmos aux seules mains de groupes privés, dont les buts s’avèrent assez éloignés de ceux de la recherche scientifique.

Comme le disait l’astronome Caitlin Casey : « le fait qu’une personne, ou une entreprise, puisse prendre le contrôle et complètement transformer la perception humaine du ciel étoilé, et pas seulement celle des humains d’ailleurs, mais aussi de tous les organismes sur Terre… me semble profondément mauvais ».

Les avancées technologiques permettent d’observer la voûte céleste comme jamais auparavant. Dès lors, il convient d’éviter à tout prix que des initiatives court-termistes ne nous permettent d’observer qu’un ensemble de lignes.

Merci à Guillaume Seigneuret pour son aide précieuse lors de la rédaction de ce dossier. Retrouvez son travail sur sa galerie Flickr.