Category:

Полет в точку Лагранжа — самые странные места в Солнечной системе, где не работает гравитация

В Солнечной системе существуют места, где практически отсутствует гравитация — точки Лагранжа. Точнее, она там есть — но одновременно от нескольких крупных космических тел, направленная в разные стороны. Поэтому любой небольшой объект, попадающий в эти области, может остаться там на миллиарды лет. «Хайтек» разобрался в истории открытия точек Лагранжа и мистификациях, связанных с ними.

Что такое точка Лагранжа?

В 1772 году математик Жозу Луи Лагранж вычислил в своем исследовании «Проблема трех тел», что гравитационное поле Земли должно нейтрализовать гравитационное притяжение самого большого объекта в Солнечной системе — Солнца — в пяти областях пространства. По сути, эти пять точек являются единственными местами в нашей системе, где практически не работает гравитация благодаря одинаковой силе притяжения от нескольких космических тел.

Жозе Луи Лагранж
Жозе Луи Лагранж

Всего существуют пять точек Лагранжа — L1, L2, L3, L4 и L5. Для ученых наиболее интересными для изучения являются точки L4 и L5 — единственные стабильные области из всех точек Лагранжа. Если спутник попадет в точки L1 или L2, через несколько месяцев орбиты изменятся и область отсутствия гравитации также сместится, поэтому космическому телу придется совершать различные маневры, чтобы оставаться в этой области.

Точки L4 и L5, которые считаются самыми стабильными, расположены на плоскости земной орбиты на расстоянии 150 млн км от нашей планеты (для сравнения, расстояние от Земли до Луны составляет 383,4 тыс. км, среднее расстояние до Венеры — от 38 до 250 млн км в зависимости от местоположения планет). При этом L4 вращается вокруг Солнца на 60° впереди Земли, а L5 — на 60° позади.

Вокруг других планет в Солнечной системе ученые также наблюдают похожие области. В 1906 году астроном и пионер астрофотографии Максимилиан Вольф обнаружил астероид, который находится постоянно в одном и том же месте за главным поясом астероидов между орбитами Марса и Юпитера.

Этот астероид оказался точкой L4 Юпитера. Ученые назвали его Ахиллесом — именно с него пошла традиция называть все подобные астероиды именами участников Троянской войны. Сейчас благодаря этому открытию астрофизики обнаружили более тысячи астероидов, находящихся в двух стабильных точках Лагранжа Юпитера.

Орбита астероида Ахиллес
Орбита астероида Ахиллес

Другое дело, что поиски подобных астероидов вокруг других планет пока оказались не столь успешными: возле Сатурна их пока не обнаружили, а около Нептуна — всего один. Вероятно, пока астрофизики просто не рассчитали правильное местоположение этих областей у таких планет.

Хм. Все равно не очень понятно, как это работает

Точка Лагранжа — это такое место в космосе, где объединенные гравитационные силы двух очень массивных тел — Земли и Солнца или Земли и Луны — равны центробежной силе, ощущаемой намного меньшим третьим телом. Взаимодействие этих сил создает точку равновесия, где может быть навечно «припаркован» условный космический корабль для проведения наблюдений.

Предположим, у нас есть два очень больших объекта в космосе — Земля и Солнце. У них есть гравитационное притяжение. И есть спутник — если мы запускаем его слишком близко к Солнцу, то постепенно гравитация притянет его к звезде, и он либо врежется в нее, либо выйдет на солнечную орбиту. Если к Земле, то спутник либо окажется на околоземной орбите, либо войдет в атмосферу нашей планеты и сгорит в ней.

Точки Лагранжа — места в космосе, где гравитация двух объектов (в нашем случае Солнца и Земли) эффективно компенсирует друг друга. Это позволит спутнику оставаться именно в том месте, куда он был запущен.

Точки Лагранжа
Точки Лагранжа

Математика так работает, что точки L1, L2, и L3 не являются стабильными. Какое-то время наш спутник, оказавшийся в этих точках, будет находиться внутри областей, но потом гравитация все-таки изменится и наше космическое тело полетит дальше. Это можно сравнить с кусочком мрамора, который мы аккуратно положили на вершину перевернутой чаши. Он там будет лежать, но один удар по столу — и мрамор скатится вниз.

L4 и L5 являются стабильными. Даже если ваш спутник не идеально добрался до этих точек, гравитация в любом случае как бы подтолкнет его в такое положение, чтобы он оставался там навсегда. На этот раз наш мраморный кусочек уже находится на дне чаши, быстро движущейся вправо, поэтому, даже если он не идеально отцентрирован, то переместится в правильное положение.

Хорошо. Как можно использовать точки Лагранжа?

Исследователи в области космонавтики еще в 1970-х годах обратили внимание на точки Лагранжа. Например, в точке L1 системы «Земля — Солнце» можно было бы поместить космическую солнечную обсерваторию. Она никогда не будет попадать в тень Земли, соответственно, наблюдения можно вести без перерыва.

Точка L2 системы «Земля — Солнце» может быть практически идеальной для установки в ней космического телескопа. В ней Земля почти всегда заслоняет солнечный свет и не отражает его в это место, что позволило бы ученым постоянно изучать другие звезды.

В точке L1 системы «Земля — Луна» можно поместить ретрансляционную станцию в период освоения спутника Земли. Станция будет постоянно находиться в зоне прямой видимости для большей части полушария Луны, обращенного к Земле. Поэтому для связи с ней будущим колонистам Луны понадобятся передатчики в десятки раз менее мощные, чем для связи с Землей.

Существует множество проектов, в рамках которых астрофизики планируют тем или иным образом использовать точки Лагранжа в своих исследованиях.

ISEE-3 — первый космический аппарат, выведенный в точку L1 системы «Земля — Солнце». Был запущен еще в 1978 году, в рамках миссии должен был доказать, что существование этих точек либрации (другое название точек Лагранжа — «Хайтек») вообще реально, а также исследовать верхние границы магнитосферы Земли, проходящие как раз на расстоянии около 1,5 млн км от нашей планеты. После этого — через десять лет — зонд был направлен к кометам Галлея и Джакобини — Циннера. Сейчас ISEE-3 несколько десятилетий просто находится в космосе в выключенном состоянии.

В точке L1 системы «Земля — Солнце» сейчас находятся несколько миссий, в том числе зонд для изучения солнечного ветра GGS Wind, станция для изучения гелиосферы SOHO и DSCOVR для анализа выбросов корональной массы.

В точке L2 системы «Земля — Солнце» долго находился спутник WMAP для изучения реликтового излучения, которое возникло во время Большого взрыва (сейчас, после завершения миссии, отправлен на орбиту захоронения), космическая обсерватория Herschel, космическая обсерватория Планк, космический телескоп Gaia. В будущем сюда запустят один из самых важных проектов по изучению космоса — телескоп имени Джеймса Уэбби в 2024 году, который придет на смену культовому «Хабблу».

При этом все эти объекты, конечно же, находятся не в одной точке — а на гало-орбитах вокруг областей Лагранжа. Их достаточно много — несмотря на то, что зонды должны иметь стабилизирующее оборудование, позволяющее долго удерживаться на них.

Почему тогда на этих точках не собираются строить колонии?

Собираются. Есть несколько проектов по созданию колоний в точках Лагранжа, и есть даже общественные объединения, которые популяризируют эту идею — L5 Society, Republic of Lagrangia и National Space Society. Самым известным сторонником создания колонии-поселения человечества в точках Лагранжа считается астрофизик Джерард О’Нил, который представил концепцию «Острова III» — космической станции, находящейся в одной стабильной точке.

Остров III
Остров III

Однако у этих теорий есть несколько серьезных технических сложностей: негативное влияние солнечного ветра и других космических лучей на организм человека. Кроме того, все точки Лагранжа подвергаются пока слабо изученному воздействию плазмы в экваториальной плоскости магнитосферы Земли. В связи с этим все поселения, которые будут расположены в этих точках, должны быть защищены от космической радиации.

Кроме того, в связи с отсутствием гравитации постоянные космические поселения в точках Лагранжа должны быть оборудованы технологиями для создания ее искусственного аналога. При этом на сегодняшний день подобных технологий не существует.

Ну и самое главное. Пока все теории по созданию колоний на других планетах — гипотетические, для их появления человечеству необходимо сделать еще огромное количество открытий. 

Ладно. Но я видел, что точки Лагранжа также могут быть использованы и для наблюдения инопланетянами за Землей!

Могут. В научной фантастике очень развита теория, что инопланетяне строят свои космические станции в точках, где нет гравитации, и наблюдают из них за Землей.

С одной стороны, некоторые точки Лагранжа, особенно в системе «Земля — Солнце», довольно сложно изучать, поскольку они находятся слишком близко к Солнцу (а иногда и за ним). Поэтому — теоретически — там могут находиться любые станции.

С другой стороны, эта теория остается только в научной фантастике, поскольку, как мы с вами давно знаем, существование инопланетян пока никем не доказано.

Источник: hightech.fm

promo fanfanews march 17, 20:04 8
Buy for 20 tokens
Успешных фильмов по произведениям Стивена Кинга довольно немного относительно всех его экранизаций. Тем не менее, продюсеры свято верят в то, что имя Кинга гарантирует сборы и бьются за права на его книги. В этом году нас ждет вторая часть « Оно », новая версия « Кладбища домашних животных »,…

Error

Anonymous comments are disabled in this journal

default userpic

Your reply will be screened

Your IP address will be recorded