Vantablack 进入太空：超黑涂层可使卫星变暗并拯救夜空
特色图片： 智利的维拉·C·鲁宾天文台，其巡天观测可能有多达 40% 的图像受到卫星条纹的损害。图片来源：Rubin Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/H。
低地球轨道上的活跃卫星数量正在接近 20,000 颗，未来几年内还有多达 170 万艘航天器的提案。每颗卫星都反射阳光，在天文图像上产生明亮的条纹，并给夜空增添人造辉光，有可能淹没遥远星系的微弱光芒。
发表在《皇家天文学会月刊》上的一项新研究提供了迄今为止最实用的解决方案之一：用超黑涂料覆盖卫星，这种涂料仅反射 2% 的入射光，并且可以由工程师在自己的设施中喷涂。
这种名为 Vantablack 310 的涂层由萨里大学的衍生公司 Surrey NanoSystems 生产。与使用在洁净室中生长的精致碳纳米管森林的原始 Vantablack 不同，Vantablack 310 是一种可喷涂的碳黑基涂料，其耐用性足以承受搬运、发射振动以及至少三年的在轨运行。
“卫星星座带来了巨大的益处，但它们日益增长的亮度对地面天文学构成了挑战，”Surrey NanoSystems 的应用科学家 James Whitfield 在一份新闻声明中说。”Vantablack 310 在广泛的视角范围内结合了超黑性能和低地球轨道所需的耐用性。”
卫星亮度为何重要
问题不仅仅是在望远镜图像上划过的可见条纹。卫星星座还增加了夜空整体漫射亮度，使探测微弱天体变得更加困难。智利的维拉·C·鲁宾天文台尤其脆弱，其为期 10 年的 Legacy Survey of Space and Time 将编录从近地小行星到瞬变超新星的一切天体。天文学家估计，卫星星座可能使鲁宾多达 40% 的图像质量下降。
星链卫星目前的星等范围为 3 到 5，在黑暗天空下肉眼可见。国际天文学联合会已经建议对卫星的亮度设定限制，使其在没有光学辅助的情况下基本不可见。研究人员计算，Vantablack 310 使卫星接近这一目标。
由萨里大学研究生研究员 Astha Chaturvedi 领导的这项研究，在实验室中测试了 Vantablack 310 在不同光照角度下的表现，模拟了涂层卫星在天空中移动时的外观。该涂层在所有入射角下都保持其光学性能，避免了抛光卫星表面上常见的明亮闪光和耀斑。未被吸收的光被漫散射，消除了产生最明显增亮效果的镜面反射。
从碳纳米管到可喷涂涂料
2014 年推出的原始 Vantablack 可吸收 99.96% 的入射光。它是有史以来最黑的材料，但也非常脆弱。碳纳米管结构一碰就碎，并且需要在专业设施中进行受控化学气相沉积。它不适合大规模卫星生产。
Vantablack 310 以少量的吸收性能换取了显著提高的实用性。在大约 2% 的反射率下，它仍然远比通常反射约 5% 入射光的传统太空涂料更暗。但与原始版本不同，卫星制造商可以使用常规喷涂设备自行喷涂。
310 系列还解决了 SpaceX 早期尝试使星链卫星变暗时困扰他们的热管理问题。SpaceX 的 DarkSat 涂层会导致过热，因为该涂料吸收阳光却无法有效散热。Vantablack 310 的专有粘合剂同时提高了吸收率和发射率，使涂层表面在 1 天文单位距离处接近约 5 摄氏度的热平衡。
在模拟三年在轨运行的耐久性测试中，Vantablack 310 显示出可忽略不计的降解。研究人员报告称，在相同的模拟条件下，竞争性太空涂料”完全被侵蚀”。
Jovian-1：轨道测试
下一步是实际飞行演示。由萨里大学、朴茨茅斯大学和南安普顿大学的学生主导的 Jovian-1 CubeSat 任务，将携带一块涂有 Vantablack 310 的太阳能电池板部分。卫星将旋转，地面望远镜从多个角度测量其亮度。
Chaturvedi 计划在维也纳举行的 2026 年联合国黑暗与宁静天空研讨会上展示团队的发现，该研讨会正在制定卫星亮度监管的政策建议。该研究的合著者来自 Surrey NanoSystems 和萨里大学先进技术研究所。
“夜空是人类观察宇宙最古老的窗口之一，但如今看清事物变得越来越困难，”Chaturvedi 说。”我们的结果表明，相对简单的材料选择可以在不要求重大任务设计变更的情况下，对卫星如何影响天文观测产生有意义的改变。”
萨里大学天体物理学高级讲师 Noelia Noël 博士将问题的紧迫性概括为：”在过去五年中，人类发射到太空的卫星数量超过了此前 60 年的总和。”
卫星运营商是否会自愿采用这种涂层仍然是一个悬而未决的问题。Vantablack 310 增加了卫星生产的成本和重量，而最大的运营商对超出监管要求的缓解措施表现出的热情有限。但这项研究提供了迄今为止这场辩论所缺少的东西：一种经过测试、可商用且经过太空验证的涂层，可以在不重新设计卫星本身的情况下，切实减少卫星光污染的最坏影响。
翻译：婷