متلازمة كيسلر

توقع ويلي لي في عام 1960 أنه "مع مرور الوقت، سيتراكم عدد من هذه الرميات الموفقة بشكل غير متوقع في الفضاء، وسيتعين إزالتها عند حلول عصر رحلات الفضاء المأهولة". ^{[ 5 ]} بعد إطلاق سبوتنيك 1 في عام 1957، بدأت قيادة الدفاع الجوي لأمريكا الشمالية (نوراد) الأمريكية في تجميع قاعدة بيانات ( كتالوج الأجسام الفضائية ) لجميع عمليات إطلاق الصواريخ المعروفة والأجسام التي تصل إلى المدار: الأقمار الصناعية، والدروع الواقية، وصواريخ الدفع العلوية والسفلية. نشرت ناسا لاحقًا نسخًا معدلة من قاعدة البيانات في مجموعة عناصر ثنائية الأسطر ، ^{[ 6 ]} وخلال أوائل الثمانينيات، أعاد نظام لوحة إعلانات سيليستراك نشرها. ^{[ 7 ]}

كان القائمون على تتبع الأجسام الفضائية، الذين يغذّون قاعدة البيانات، على دراية بوجود أجسام أخرى في المدار، كان العديد منها ناتجًا عن انفجارات مدارية. ^{[ 8 ]} بعضها كان متعمدًا خلال تجارب أسلحة مضادة للأقمار الصناعية في ستينيات القرن الماضي ، والبعض الآخر كان نتيجة انفجار مراحل صاروخية في المدار بسبب تمدد الوقود المتبقي وتمزق خزاناتها. ولتحسين التتبع، احتفظ جون غابارد، الموظف في قيادة الدفاع الجوي لأمريكا الشمالية (نوراد)، بقاعدة بيانات منفصلة. ومن خلال دراسة الانفجارات، طوّر غابارد تقنية للتنبؤ بالمسارات المدارية لمنتجاتها، وتُستخدم الآن مخططات غابارد (أو رسوماته البيانية) على نطاق واسع. وقد استُخدمت هذه الدراسات لتحسين نمذجة تطور المدارات واضمحلالها. ^{[ 9 ]}

عندما أصبحت قاعدة بيانات قيادة الدفاع الجوي لأمريكا الشمالية (NORAD) متاحة للعموم خلال سبعينيات القرن الماضي، طبّق عالم ناسا، دونالد ج. كيسلر، على قاعدة بيانات الأجسام المعروفة تقنية طُوّرت لدراسة حزام الكويكبات. في يونيو 1978، شارك كيسلر وبورتون كور-باليه في تأليف بحث بعنوان "تواتر اصطدام الأقمار الصناعية: تكوين حزام الحطام" ^{[ 3 ]} ، مُبيّنين أن العملية التي تتحكم في تطور الكويكبات ستؤدي إلى عملية اصطدام مماثلة في المدار الأرضي المنخفض خلال عقود، وليس مليارات السنين. وخلصا إلى أنه بحلول عام 2000 تقريبًا، سيتجاوز الحطام الفضائي النيازك الدقيقة ليصبح الخطر الرئيسي على المركبات الفضائية المدارية. ^{[ 4 ]}

في ذلك الوقت، كان يُعتقد على نطاق واسع أن مقاومة الغلاف الجوي العلوي ستؤدي إلى خروج الحطام من مداره أسرع من سرعة تكوّنه. مع ذلك، كانت غابارد على دراية بأن عدد وأنواع الأجسام في الفضاء لم تكن ممثلة تمثيلاً كافياً في بيانات قيادة الدفاع الجوي لأمريكا الشمالية (نوراد)، وكانت على دراية بسلوكها. في مقابلة أجريت معها بعد فترة وجيزة من نشر ورقة كيسلر البحثية عام 1978، صاغت غابارد مصطلح " متلازمة كيسلر" للإشارة إلى تراكم الحطام؛ ^{[ 4 ]} وقد شاع استخدامه بعد ظهوره في مقال نُشر عام 1982 في مجلة "بوبيولار ساينس "، ^{[ 10 ]} والذي فاز بجائزة الصحافة الوطنية لعام 1982 من جمعية كُتّاب الطيران والفضاء. ^{[ 4 ]}

أدى نقص البيانات الدقيقة حول الحطام الفضائي إلى إجراء سلسلة من الدراسات لتحسين فهم بيئة المدار الأرضي المنخفض. وفي أكتوبر 1979، قدمت وكالة ناسا تمويلًا لكيسلر لإجراء المزيد من الدراسات. ^{[ 4 ]} وقد استخدمت هذه الدراسات عدة مناهج.

استُخدمت التلسكوبات البصرية والرادارات ذات الموجات القصيرة لقياس عدد وحجم الأجسام الفضائية، وأظهرت هذه القياسات أن العدد المنشور للأجسام الفضائية أقل بنسبة 50% على الأقل. ^{[ 11 ]} قبل ذلك، كان يُعتقد أن قاعدة بيانات قيادة الدفاع الجوي لأمريكا الشمالية (نوراد) تشمل غالبية الأجسام الكبيرة في المدار. وقد تبيّن أن بعض الأجسام (عادةً المركبات الفضائية العسكرية الأمريكية) مُستبعدة من قائمة نوراد، بينما لم تُدرج أجسام أخرى لاعتبارها غير مهمة. ولم يكن من السهل على القائمة رصد الأجسام التي يقل حجمها عن 20 سم (8 بوصات) ، ولا سيما حطام مراحل الصواريخ المتفجرة والعديد من تجارب الصواريخ المضادة للأقمار الصناعية التي أُجريت في ستينيات القرن الماضي. ^{[ 4 ]}  

خضعت المركبات الفضائية المُستعادة لفحص مجهري للكشف عن آثار اصطدامات صغيرة، ووُجد أن أجزاءً من سكايلاب ووحدة القيادة/الخدمة لأبولو التي تم استعادتها مُتآكلة. أشارت كل دراسة إلى أن تدفق الحطام كان أعلى من المتوقع، وأن الحطام هو المصدر الرئيسي لاصطدامات النيازك الدقيقة والحطام المداري في الفضاء. وقد أظهرت المدارات الأرضية المنخفضة بالفعل متلازمة كيسلر. ^{[ 4 ]}

في عام 1978، وجد كيسلر أن 42% من الحطام المُفهرس كان نتيجة 19 حادثة، معظمها انفجارات لمراحل صواريخ مُستهلكة (وخاصة صواريخ دلتا الأمريكية ). ^{[ 12 ]} اكتشف ذلك من خلال تحديد عمليات الإطلاق التي وُصفت بأنها تحمل عددًا كبيرًا من الأجسام المرتبطة بالحمولة، ثم بحث في المراجع العلمية لتحديد الصواريخ المستخدمة في الإطلاق. في عام 1979، أدت هذه النتيجة إلى إنشاء برنامج ناسا للحطام المداري بعد إحاطة لكبار مديري ناسا، مما قلب الاعتقاد السائد سابقًا بأن معظم الحطام غير المعروف كان من اختبارات قديمة مضادة للأقمار الصناعية، وليس من انفجارات صواريخ المرحلة العليا الأمريكية التي كان من الممكن التعامل معها بسهولة ظاهريًا عن طريق استهلاك الوقود غير المُستخدَم من صاروخ دلتا بعد حقن الحمولة. ابتداءً من عام 1986، عندما اكتُشف أن وكالات دولية أخرى ربما كانت تواجه نفس المشكلة، وسّعت ناسا برنامجها ليشمل وكالات دولية، وكانت أولها وكالة الفضاء الأوروبية. ^{[ 13 ] : 2} لم تنفجر بعد عدد من مكونات دلتا الأخرى في المدار (كانت دلتا بمثابة العمود الفقري لبرنامج الفضاء الأمريكي).

خلال ثمانينيات القرن الماضي، أجرى سلاح الجو الأمريكي برنامجًا تجريبيًا لتحديد ما سيحدث في حال اصطدام الحطام بالأقمار الصناعية أو غيرها من الحطام. وأظهرت الدراسة أن العملية تختلف عن اصطدامات النيازك الدقيقة ، حيث تتشكل كتل كبيرة من الحطام تُشكل خطرًا محتملاً للاصطدام. ^{[ 4 ]}

في عام 1991، نشر كيسلر بحثًا بعنوان "التأثير المتتالي للتصادم: حدود النمو السكاني في المدار الأرضي المنخفض" ^{[ 14 ]} مستندًا إلى أفضل البيانات المتاحة آنذاك. واستشهد باستنتاجات القوات الجوية الأمريكية حول تكوّن الحطام، فكتب أنه على الرغم من أن معظم أجسام الحطام (مثل بقع الطلاء) كانت خفيفة الوزن، إلا أن معظم كتلتها كانت في حطام يزن حوالي كيلوغرام واحد (2 رطل و3 أونصات) أو أكثر. هذه الكتلة قادرة على تدمير مركبة فضائية عند الاصطدام، مما يؤدي إلى تكوّن المزيد من الحطام في منطقة الكتلة الحرجة. ^{[ 15 ]} وفقًا للأكاديمية الوطنية للعلوم :   

على سبيل المثال، من المحتمل أن يتسبب جسم كتلته كيلوغرام واحد  يصطدم بسرعة 10  كيلومترات في الثانية في تفتيت  مركبة فضائية كتلتها 1000 كيلوغرام بشكل كارثي إذا اصطدم بعنصر عالي الكثافة داخلها. وفي مثل هذا التفتيت،  ستتكون شظايا عديدة يزيد وزنها عن كيلوغرام واحد. ^{[ 16 ]}

قسم تحليل كيسلر المشكلة إلى ثلاثة أجزاء. عند كثافة منخفضة بما يكفي، يكون تراكم الحطام الناتج عن الاصطدامات أبطأ من معدل اضمحلاله، وبالتالي لا تُشكل المشكلة أهمية كبيرة. أما عند تجاوز هذه الكثافة، فتوجد كثافة حرجة، حيث يؤدي تراكم الحطام إلى مزيد من الاصطدامات. وعند كثافات أعلى، يتجاوز الإنتاج معدل الاضمحلال، مما يؤدي إلى تفاعل متسلسل يُقلل عدد الأجسام في المدار إلى أجسام صغيرة (بضعة سنتيمترات في الحجم) ويزيد من مخاطر النشاط الفضائي. ^{[ 15 ]} يُعرف هذا التفاعل المتسلسل بمتلازمة كيسلر. ^{[ 4 ]}

في عرض تاريخي موجز في أوائل عام 2009، لخص كيسلر الوضع قائلاً:

قد تؤدي الأنشطة الفضائية العدوانية، في غياب ضمانات كافية، إلى تقصير الفترة الزمنية بين الاصطدامات بشكل كبير، مما يُشكّل خطرًا جسيمًا على المركبات الفضائية المستقبلية. ومن أخطر الأنشطة البيئية في الفضاء: التجمعات الكبيرة للأقمار الصناعية، كتلك التي اقترحتها مبادرة الدفاع الاستراتيجي في منتصف ثمانينيات القرن الماضي، والمنشآت الضخمة، كتلك التي نُظر في إنشائها أواخر سبعينيات القرن الماضي لبناء محطات الطاقة الشمسية في مدار الأرض، والحرب المضادة للأقمار الصناعية باستخدام أنظمة اختبرها الاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة والصين على مدى الثلاثين عامًا الماضية. وقد تُؤدي هذه الأنشطة العدوانية إلى وضعٍ يُمكن أن يُؤدي فيه عطل قمر صناعي واحد إلى سلسلة من الأعطال في العديد من الأقمار الصناعية في فترة زمنية أقصر بكثير من سنوات. ^{[ 4 ]}

في عام 1985، استُخدم أول صاروخ مضاد للأقمار الصناعية (ASAT) في تدمير قمر صناعي. أُجري اختبار ASM-135 الأمريكي المضاد للأقمار الصناعية عام 1985 ، حيث اصطدم الصاروخ، الذي يزن 14 كيلوغرامًا، بالقمر الصناعي Solwind P78-1 الذي كان يحلق على ارتفاع 555 كيلومترًا (345 ميلًا ) بسرعة 24000 كيلومتر في الساعة (15000 ميل في الساعة؛ 6.7 كيلومتر في الثانية). عندما علمت وكالة ناسا بخطط القوات الجوية الأمريكية لإجراء اختبار Solwind المضاد للأقمار الصناعية، قامت بمحاكاة آثار الاختبار، وخلصت إلى أن الحطام الناتج عن الاصطدام سيظل في المدار حتى أواخر التسعينيات. مما سيجبر ناسا على تعزيز دروع الحماية من الحطام لمحطتها الفضائية المزمع إنشاؤها. ^{[ 17 ]}    

في 11 يناير/كانون الثاني 2007، أجرت جمهورية الصين الشعبية تجربة صاروخية مضادة للأقمار الصناعية، استهدفت فيها أحد أقمارها الصناعية للأرصاد الجوية من طراز FY-1C . وقع الاصطدام على ارتفاع 865 كيلومترًا (537 ميلًا) ، عندما اصطدمت حمولة حركية تسير بسرعة 8 كيلومترات في الثانية (18000 ميل في الساعة) في الاتجاه المعاكس بالقمر الصناعي الذي تبلغ كتلته 750 كيلوغرامًا (1650 رطلًا) . تدور الحطام الناتج حول الأرض بمتوسط ​​ارتفاع يزيد عن 850 كيلومترًا (530 ميلًا) ، ومن المرجح أن يبقى في مداره لعقود أو قرون. ^{[ 18 ]}     

أدى تدمير القمر الصناعي "كوزموس 1408" بصاروخ روسي مضاد للأقمار الصناعية في 15 نوفمبر/تشرين الثاني 2021، إلى تكوين سحابة ضخمة من الحطام، حيث تم تتبع 1500 قطعة، بالإضافة إلى مئات الآلاف من القطع الصغيرة جدًا التي يصعب تتبعها. ونظرًا لوجود القمر الصناعي في مدار قطبي ، وانتشار حطامه على ارتفاعات تتراوح بين 300 و1000 كيلومتر (190 و620 ميلًا) ، فإنه يُحتمل أن يصطدم بأي قمر صناعي في مدار أرضي منخفض، بما في ذلك محطة الفضاء الدولية ومحطة الفضاء الصينية (تيانغونغ). ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} 

وقع حدثٌ هامٌّ مرتبطٌ بمتلازمة كيسلر في 9 أغسطس/آب 2024، عندما تفكك صاروخٌ صينيٌّ من طراز لونغ مارش 6A في مدارٍ أرضيٍّ منخفض، مُخلِّفًا سحابةً من مئات الشظايا. وقد أكَّدت قيادة الفضاء الأمريكية هذا التفكك، وتمَّ تتبُّعه من قِبَل العديد من منظمات تتبُّع الحطام الفضائي. أسفر الحدث عن 700 شظيةٍ على الأقل، مع احتمال وجود أكثر من 900 شظية. يُشكِّل هذا الحطام خطرًا كبيرًا على كوكبات الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض، ولا سيَّما تلك التي تدور على ارتفاع أقل من 800 كيلومتر، وقد يبقى في المدار لسنوات، ممَّا يزيد من احتمالية الاصطدامات. يُسلِّط هذا الحادث الضوء على المخاوف المُستمرة بشأن الحطام الفضائي، وتزايد خطر التأثير المُتتالي مع إطلاق المزيد من الأجسام إلى المدار. ^{[ 22 ]} منذ عام 2000، تراكمت لدى جمهورية الصين الشعبية كتلةٌ من "الصواريخ الميتة" في مداراتٍ طويلة الأمد أكثر ممَّا تراكم لدى بقية دول العالم مجتمعة. ^{[ 23 ]}

Some astronomers have hypothesized Kessler syndrome as a possible or likely solution to the Fermi paradox, the lack of any sign of alien life in the universe. Any intelligent civilization which becomes spacefaring could eventually extinguish any safe orbits via Kessler syndrome, trapping itself within its home planet.^[34] Such a result could happen even with robust space pollution controls, as a lone malicious actor on a planet could cause a Kessler syndrome scenario.^[35] Humanity could be on the path to a similar fate, soon to trap itself on Earth with no future as a spacefaring civilization.^[36] Some exoplanet researchers have attempted to survey other planets for signs of a Kessler syndrome cascade as a sign of intelligent life.^[37]