Mégaconstellations : la limite de l'UAI déjà franchie

Plus de la moitié des passages de Guowang sont trop brillants

Commençons par la règle du jeu. Depuis 2019 et les premiers lancements de Starlink, le ciel nocturne se peuple de satellites. Les astronomes ont réagi vite, en fixant un seuil à ne pas dépasser. Le Centre de l'UAI pour la protection du ciel sombre recommande qu'un satellite en orbite basse reste plus faible que la magnitude 7, une mesure de brillance qui place l'engin hors de portée de l'œil nu sous un ciel noir. Au-dessus de 550 km d'altitude, la barre se durcit encore, parce qu'un satellite plus haut bouge plus lentement sur le ciel et laisse une trace plus dense dans une image posée.

Reste à savoir si cette limite est respectée. Les études menées jusqu'ici suivaient des cibles choisies à l'avance, ou s'appuyaient sur des estimations visuelles. L'équipe de Rayworth a fait l'inverse. Son instrument, le système Luciole, ne vise aucun satellite en particulier. Il lance un filet optique sur une grande partie du ciel et enregistre à 25 images par seconde tout ce qui bouge, un peu comme une caméra de surveillance qui filmerait les étoiles filantes. Le système hérite d'ailleurs du matériel mis au point pour le Global Meteor Network, un réseau mondial de caméras dédiées aux météores.

La campagne s'est déroulée sur 36 nuits, du 7 octobre au 11 novembre 2024, depuis l'Elginfield Observatory, dans le sud-ouest de l'Ontario, à 43,19° de latitude nord. Six caméras à champ étroit ont fonctionné en continu, chacune sensible jusqu'à la magnitude 9. Sur les 407 heures d'obscurité possibles, 230 heures ont été exploitables, le reste étant couvert par les nuages.

Le dépouillement donne 24 812 traces, produites par 5 118 satellites distincts. Chaque trace est mise en face de la limite de l'UAI calculée à l'altitude de l'engin. Puis les astronomes changent de point de vue. Au lieu de compter les satellites trop brillants en valeur absolue, ce qui revient surtout à mesurer la taille des constellations, ils rapportent le nombre de passages non conformes au nombre de passages qui étaient géométriquement possibles, en tenant compte des nuages, des arrêts de caméra et de l'ombre de la Terre. Ce pourcentage ne dépend plus du nombre de satellites, et il indique ce qu'un opérateur devrait corriger.

• Guowang / Hulianwang, la constellation chinoise : plus de 50 % des passages possibles au-dessus de la limite. Sur les passages réellement observés, la proportion monte à 100 %.
• Starlink : environ 25 % des passages possibles. En nombre absolu, la constellation fournit les deux tiers de toutes les traces trop brillantes.
• Étages de fusée : environ 21 % des passages possibles. Les corps de fusée BREEZE et Long March étaient non conformes sur 99 % et 97 % des passages observés.
• OneWeb : environ 6 % des passages possibles, la meilleure des grandes constellations.

Le cas de Guowang inquiète particulièrement, parce que la constellation est encore petite. Si le projet chinois d'environ 13 000 satellites se réalise, chaque satellite ajouté continuera de dépasser la limite à la même fréquence. L'étude parle d'une source dominante de pollution optique du ciel en devenir, sauf si des mesures de réduction sont prises.

Pourquoi un satellite brille plus qu'un autre

Un satellite n'émet aucune lumière. Il ne fait que renvoyer celle du Soleil, tel un miroir de poche qu'on oriente vers son œil. La quantité de lumière qui nous parvient dépend donc de l'angle entre le satellite, le Soleil et l'observateur. Cet angle porte un nom, l'angle de phase.

L'étude trace cet angle pour chaque passage enregistré, et un motif net apparaît. Les satellites ne se répartissent pas au hasard, ils forment trois familles. Autour de 30°, un premier groupe correspond à la lumière renvoyée vers l'arrière par les panneaux solaires. Entre 60° et 100°, un large nuage de traces vient de la lumière diffusée par le corps de l'engin, comme une façade claire qui éclaire la rue. Et vers 115°, un pic serré trahit un reflet spéculaire, le même effet qu'un pare-brise qui vous éblouit quand le Soleil est dans l'axe.

Cette distinction n'est pas un détail. Un satellite moderne porte de grandes surfaces plates : panneaux solaires et antennes réseau. Une surface plate renvoie la lumière dans une direction précise, ce qui produit des éclats brefs mais intenses. Une surface mate la diffuse dans toutes les directions, sans à-coups. Or les satellites Starlink se concentrent très fortement dans le pic spéculaire, bien plus que les autres engins. Leur grande antenne plate en réseau, un panneau qui sert à la fois à émettre et à recevoir, est la cause la plus probable, même si l'étude ne peut pas l'isoler complètement des effets d'orientation.

Autre enseignement, plus dérangeant pour l'industrie. La luminosité n'a pas baissé régulièrement d'une génération à l'autre. Les satellites V2 Mini Direct-to-Cell ont inversé la tendance à l'assombrissement amorcée entre 2020 et début 2024, en revenant près de la brillance des premiers V1.0. Un satellite neuf n'est donc pas automatiquement plus discret qu'un ancien.

Le crépuscule, ces heures que l'astronomie ne peut pas céder

Il reste à comprendre quand cette gêne frappe. L'étude répond de façon inattendue : presque toujours au même moment. La grande majorité des traces ont été enregistrées dans les deux heures qui suivent le coucher du Soleil et dans les deux heures qui précèdent son lever. Entre les deux, les satellites traversent l'ombre de la Terre et disparaissent du ciel.

L'équipe a prolongé ce constat par un modèle qui place la constellation dans une coquille à 550 km d'altitude et demande, à chaque instant, si une partie de cette coquille est à la fois au-dessus de l'horizon, éclairée par le Soleil et vue contre un ciel nocturne. Le résultat est frappant de régularité. Entre 35° de latitude sud et 35° de latitude nord, là où vit l'essentiel de la population mondiale et où se trouvent la plupart des grands observatoires, les satellites restent visibles environ 3,3 heures par nuit, toute l'année, avec peu de saisonnalité. Les constellations plus hautes, comme OneWeb et Guowang, près de 1 200 km, échappent même à cette fenêtre et peuvent rester éclairées une bonne partie de la nuit.

Le problème n'est pas seulement la durée, c'est le moment. Ce créneau crépusculaire est précieux pour l'astronomie. On y prend les images de calibration qui servent à étalonner un télescope toute la nuit, et une seule traînée peut rendre ces images inutilisables. On y traque aussi les astéroïdes géocroiseurs et les petits corps du Système solaire intérieur, qui sont alors les plus faciles à repérer, à l'opposé du Soleil dans le ciel. La perte n'est donc pas une simple fraction de temps perdu, elle vise des objectifs scientifiques précis, dont la défense planétaire.

Le chiffre le plus parlant concerne le grand relevé à venir. Pour l'observatoire Vera C. Rubin, dont la caméra doit photographier tout le ciel austral toutes les quelques nuits, les auteurs calculent qu'environ 0,34 traînée tomberait dans chaque pose de 30 secondes prise pendant la fenêtre crépusculaire. Autrement dit, une pose sur trois environ porterait la marque d'un satellite.

Pour un astronome amateur, la même étude donne un repère concret. Un observateur à l'œil nu, sous un ciel noir, verrait en moyenne 44 satellites dans son champ de vision à un instant donné pendant la fenêtre crépusculaire. Sur tout le ciel, le chiffre monte à environ 140.

Ce que cela change : viser la brillance de fond, pas les éclats rares

Le message de fond de l'étude est un déplacement du regard. Jusqu'ici, les efforts de réduction visaient les éclats exceptionnels, ces flashs brefs qui peuvent aveugler une image. Le relevé montre que le problème est plus profond. La plupart des grandes constellations sont, en moyenne, plus brillantes que la limite à leur altitude. Ce n'est pas un accident de temps en temps, c'est une caractéristique de base du parc actuel.

La conséquence est directe pour l'industrie. Ce qu'il faut corriger, ce n'est pas seulement un reflet malencontreux, c'est la réflectivité ordinaire du corps de l'engin, de ses antennes et de ses panneaux solaires. Or ces choix sont figés à la conception et à la fabrication, pas en orbite. Traiter le sujet demande donc d'agir en amont, sur la matière même des satellites.

L'étude offre un contre-exemple précieux. OneWeb, qui orbite vers 1 200 km, ne dépasse la limite que sur environ 6 % de ses passages, avec une magnitude médiane de 7,3. Et ce n'est pas seulement une histoire d'altitude, puisque d'autres constellations placées à la même hauteur, comme Gonets et Globalstar, apparaissent nettement plus brillantes. Une conception soignée suffit donc à diviser la gêne par plusieurs, avec la technologie actuelle. Toutes les constellations ne se valent pas, et la comparaison entre opérateurs devient un outil de pression.

Le problème ne s'arrête pas aux télescopes au sol. Avant 2021, environ 3 % des images du télescope spatial Hubble montraient déjà la traînée d'un satellite, un rappel que l'orbite basse est encombrée sur toute son épaisseur.

Pour suivre le sujet de près, notre carte de la pollution lumineuse recense les satellites en orbite basse et leurs positions en temps quasi réel, mises à jour toutes les cinq minutes depuis les données publiques NORAD et Celestrak.

Pour aller plus loin

• Les notions clés : l'orbite basse dans notre glossaire, où évoluent la plupart de ces satellites.
• Les outils du site : la carte de la pollution lumineuse pour suivre les satellites en direct, la carte du ciel pour repérer ce qui reste observable et le guide d'observation pour choisir un site au ciel préservé.
• L'étude : Systematic non-compliance of satellite megaconstellations with IAU brightness limits, Rayworth et al., publiée sur arXiv.
• Le cadre de référence : la recommandation de luminosité du Centre de l'UAI pour la protection du ciel sombre et la recommandation 5 du rapport SATCON1, qui a fixé la limite de magnitude 7.
• Les images : l'image de traînées de Starlink de NOIRLab et la vue de l'observatoire Vera C. Rubin à l'aube.