Co to jest punkt Lagrange'a?
W 1772 roku matematyk Josue Louis Lagrange obliczył w swoim badaniu „Problem
Jose Louis Lagrange
W sumie jest pięć punktów Lagrange'a - L1, L2,L3, L4 i L5. Dla naukowców najciekawszymi punktami do zbadania są punkty L4 i L5 - jedyne stabilne regiony wszystkich punktów Lagrange'a. Jeśli satelita uderzy w L1 lub L2, po kilku miesiącach zmienią się orbity i przesunie się również obszar bez grawitacji, więc ciało kosmiczne będzie musiało wykonywać różne manewry, aby pozostać w tym obszarze.
Punkty L4 i L5, które są uważane za najbardziejstabilny, położony na płaszczyźnie orbity Ziemi w odległości 150 mln km od naszej planety (dla porównania odległość Ziemi od Księżyca to 383,4 tys. km, średnia odległość do Wenus to od 38 do 250 mln km, w zależności od położenia planet). W tym przypadku L4 obraca się wokół Słońca o 60° przed Ziemią, a L5 - 60° z tyłu.
Naukowcy z innych planet Układu Słonecznegoobserwuje się również podobne obszary. W 1906 roku astronom i pionier astrofotografii Maximilian Wolf odkrył asteroidę, która stale znajduje się w tym samym miejscu poza głównym pasem asteroid, pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza.
Ta asteroida okazała się być punktem L4 Jowisza.Naukowcy nazwali go Achilles - to od niego rozpoczęła się tradycja nazywania wszystkich takich asteroid imionami uczestników wojny trojańskiej. Teraz, dzięki temu odkryciu, astrofizycy odkryli ponad tysiąc asteroid zlokalizowanych w dwóch stabilnych punktach Lagrange'a na Jowiszu.
Orbita asteroidy Achilles
Inna sprawa, że poszukiwanie takich asteroidwokół innych planet nie odniosły jeszcze takiego sukcesu: nie zostały jeszcze znalezione w pobliżu Saturna, a tylko jedna w pobliżu Neptuna. Prawdopodobnie, dopóki astrofizycy po prostu nie obliczyli prawidłowego położenia tych obszarów dla takich planet.
JM. Nadal nie jest jasne, jak to działa.
Punkt Lagrange'a to miejsce w przestrzeni, w którympołączone siły grawitacyjne dwóch bardzo masywnych ciał – Ziemi i Słońca lub Ziemi i Księżyca – są równe sile odśrodkowej odczuwanej przez znacznie mniejsze trzecie ciało. Interakcja tych sił tworzy punkt równowagi, w którym konwencjonalny statek kosmiczny może zostać „zaparkowany” na zawsze w celu prowadzenia obserwacji.
Załóżmy, że mamy dwa bardzo duże obiektyw kosmosie - Ziemia i Słońce. Mają przyciąganie grawitacyjne. I jest satelita - jeśli wystrzelimy go zbyt blisko Słońca, to stopniowo grawitacja będzie przyciągać go w stronę gwiazdy i albo zderzy się z nim, albo wejdzie na orbitę słoneczną. Jeśli na Ziemię, satelita albo znajdzie się na orbicie okołoziemskiej, albo wejdzie w atmosferę naszej planety i spłonie w niej.
Punkty Lagrange'a to miejsca w przestrzeni, gdzie grawitacjadwa obiekty (w naszym przypadku Słońce i Ziemia) skutecznie znoszą się nawzajem. Dzięki temu satelita pozostanie dokładnie tam, gdzie został wystrzelony.
Punkty Lagrange'a
Matematyka działa w taki sposób, że punkty L1, L2 i L3nie są stabilne. Przez pewien czas nasz satelita, który wylądował w tych punktach, będzie znajdował się w tych regionach, ale wtedy grawitacja nadal będzie się zmieniać i nasze kosmiczne ciało poleci dalej. Można to porównać do kawałka marmuru, który ostrożnie umieszczamy na odwróconej misce. Będzie tam leżał, ale jeden cios w stół - i kulka się stoczy.
L4 i L5 są stabilne.Nawet jeśli twój towarzysz nie dotarł do tych punktów idealnie, grawitacja i tak wepchnie go na pozycję, tak że pozostanie tam na zawsze. Tym razem nasz marmurowy kawałek znajduje się już na dnie miski i szybko przesuwa się w prawo, więc nawet jeśli nie jest idealnie wyśrodkowany, przesunie się do właściwej pozycji.
Dobra. Jak można wykorzystać punkty Lagrange'a?
Badacze kosmosu w latach 70lat zwracali uwagę na punkty Lagrange’a. Na przykład kosmiczne obserwatorium słoneczne mogłoby zostać umieszczone w punkcie L1 układu Ziemia-Słońce. Nigdy nie spadnie w cień Ziemi, dzięki czemu obserwacje można prowadzić bez zakłóceń.
Punkt L2 systemu „Ziemia-Słońce” może byćprawie idealny do zainstalowania w nim teleskopu kosmicznego. W nim Ziemia prawie zawsze przesłania światło słoneczne i nie odbija go w to miejsce, co pozwoliłoby naukowcom na ciągłe badanie innych gwiazd.
W punkcie L1 układu „Ziemia-Księżyc” można umieścićstacja przekaźnikowa podczas eksploracji satelity Ziemi. Stacja będzie stale w zasięgu wzroku przez większą część półkuli Księżyca zwróconą w stronę Ziemi. Dlatego, aby się z nim komunikować, przyszli koloniści Księżyca będą potrzebować nadajników dziesięciokrotnie słabszych niż te do komunikacji z Ziemią.
Istnieje wiele projektów, w których astrofizycy planują wykorzystać punkty Lagrange'a w taki czy inny sposób w swoich badaniach.
ISEE-3 to pierwszy statek kosmiczny wystrzelony wpunkt L1 systemu „Ziemia-Słońce”. Został uruchomiony w 1978 roku, w ramach misji miał udowodnić, że istnienie tych punktów libracyjnych (inna nazwa punktów Lagrange'a to High-Tech) jest generalnie realny, a także zbadać górne granice Magnetosfera ziemska, przechodząca w odległości około 1,5 miliona km od naszej planety. Następnie, dziesięć lat później, sonda została wysłana do komet Halley i Giacobini-Zinner. Teraz ISEE-3 od kilkudziesięciu lat znajduje się w kosmosie w stanie wyłączonym.
Teraz w punkcie L1 układu Ziemia-SłońceIstnieje kilka misji, w tym sonda wiatru słonecznego GGS Wind, stacja heliosfery SOHO i DSCOVR, których zadaniem jest analiza koronalnych wyrzutów masy.
W punkcie L2 systemu „Ziemia-Słońce” przez długi czasistniał satelita WMAP do badania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, które powstało podczas Wielkiego Wybuchu (teraz, po zakończeniu misji, został wysłany na orbitę grobową), obserwatorium kosmiczne Herschel, obserwatorium kosmiczne Planck, obserwatorium Gaia teleskop kosmiczny. W przyszłości zostanie tu uruchomiony jeden z najważniejszych projektów w eksploracji kosmosu - Teleskop Jamesa Webby'ego w 2024 roku, który zastąpi kultowego Hubble'a.
Co więcej, wszystkie te obiekty są oczywiścienie w jednym punkcie, ale na orbitach halo wokół regionów Lagrange'a. Jest ich całkiem sporo - pomimo tego, że sondy muszą mieć osprzęt stabilizujący, który pozwala im na dłuższe pozostawanie na nich.
Dlaczego więc nie zamierzają budować kolonii w tych punktach?
Przygotowują się.Istnieje kilka projektów tworzenia kolonii w punktach Lagrange'a, a istnieją nawet stowarzyszenia społeczne, które popularyzują ten pomysł - L5 Society, Republic of Lagrangia i National Space Society. Za najsłynniejszego zwolennika stworzenia kolonii-osiedla ludzkości w punktach Lagrange'a uważany jest astrofizyk Gerard O'Neill, który przedstawił koncepcję „Wyspy III” – stacji kosmicznej zlokalizowanej w jednym stabilnym punkcie.
Wyspa III
Jednak teorie te mają kilka poważnychtrudności techniczne: negatywny wpływ wiatru słonecznego i innych promieni kosmicznych na organizm ludzki. Ponadto wszystkie punkty Lagrange'a podlegają wciąż słabo poznanemu wpływowi plazmy w płaszczyźnie równikowej magnetosfery Ziemi. W związku z tym wszystkie osady, które będą zlokalizowane w tych punktach, muszą być chronione przed promieniowaniem kosmicznym.
Dodatkowo ze względu na brak grawitacjistałe osady kosmiczne w punktach Lagrange'a powinny być wyposażone w technologie tworzenia ich sztucznego odpowiednika. Jednocześnie takie technologie nie istnieją dzisiaj.
Cóż, najważniejsza rzecz.Podczas gdy wszystkie teorie tworzenia kolonii na innych planetach są hipotetyczne, ich pojawienie się wymaga jeszcze wielu odkryć. Historię wyścigu o tworzenie baz na Księżycu i Marsie można przeczytać tutaj, tutaj i tutaj.
OK. Ale widziałem, że punkty Lagrange'a można również wykorzystać do obserwacji Ziemi przez kosmitów!
Mogą. W science fiction teoria jest bardzo rozwinięta, że kosmici budują swoje stacje kosmiczne w punktach, w których nie ma grawitacji, i obserwują z nich Ziemię.
Z jednej strony kilka punktów Lagrange'aszczególnie w układzie Ziemia-Słońce jest to dość trudne do zbadania, ponieważ są one zbyt blisko Słońca (a czasami za nim). Dlatego teoretycznie może się tam znajdować dowolna stacja.
Z drugiej strony ta teoria pozostaje tylko w science fiction, ponieważ, jak od dawna wiemy, istnienie kosmitów nie zostało jeszcze przez nikogo udowodnione.