Что такое точки Лагранжа и почему в них не действует гравитация
Точки Лагранжа, они же точки либрации, — это точки, в которых силы притяжения двух массивных космических тел (например, Солнца и Земли) в точности уравновешиваются центробежной силой, действующей на малое тело. Такое тело (например, космический аппарат или астероид), попавшее в точку либрации, «зависнет» относительно больших тел, не будет приближаться ни к одному из них.
Как открыли точки Лагранжа
Точки Лагранжа названы в честь французского математика Жозефа Луи Лагранжа, жившего в XVIII–XIX веках. Он занимался решением «задачи трех тел», одной из ключевых в небесной механике и астрофизике. Если говорить о двух объектах (например, о Земле и Луне), рассчитать их траектории достаточно просто — с этим поможет справиться «задача двух тел» из курса классической небесной механики, решенная Иоганном Кеплером. Но как только речь заходит о трех объектах, расчеты невероятно усложняются. Для задачи трех тел до сих пор нет общего решения, удалось найти лишь частные варианты, и точки либрации — один из них.
Вопреки названию, первые три точки либрации нашел еще в 1767 году немецко- русский математик Леонард Эйлер: он описал так называемые коллинеарные точки, L1, L2, L3, которые также называют эйлеровскими. Спустя пять лет, в 1772 году, Жозеф Луи Лагранж нашел еще две точки — L4, L5. Их называют треугольными, потому что они находятся в вершинах равностороннего треугольника, который можно построить через космические тела.
Эти пять точек либрации можно найти в любой системе двух тел — например, в системе Земля — Луна, Земля — Солнце, Юпитер — Солнце и так далее. Точки либрации существуют и в более сложных системах, скажем вокруг вращающихся гравитирующих эллипсоидов, таких как карликовая планета Хаумеа рядом с Плутоном, которая считается самым быстровращающимся телом в Солнечной системе.
Коллинеарные точки либрации L1, L2, L3 неустойчивые. Это значит, что космический аппарат или природное тело, попавшее в такую точку, будет колебаться около нее только в течение определенного времени, после чего из нее вылетит. Треугольные точки L4 и L5 устойчивые: любой объект, попавший в их малые окрестности, в них и останется.
Каждая точка Лагранжа имеет свои особенности и научный потенциал. Расскажем о них подробнее.
Точка L1 расположена на прямой линии между телами, например Солнцем и Землей. Это идеальное место для наблюдений за звездой: Солнце здесь никогда не перекрывается ни Землей, ни Луной. С мая 1996 года в L1 «завис» космический аппарат SOHO. Изучение активности и вспышек Солнца, предсказание климата — основные направления задачи, которые он поможет решить.
Точка вызывает большой интерес и в других областях, например у астрофизиков, которые занимаются изучением двойных звезд: через L1 масса одной звезды перетекает в другую.
Точка L2 расположена на той же линии, что и L1, но за Землей в ее полутени. Благодаря тому, что наша планета заслоняет солнечный свет и Солнце не создает радиопомех, это самая удобная точка для наблюдения за космосом. Здесь уже находится несколько космических аппаратов: российско-немецкая обсерватория «Спектр-РГ», европейский телескоп Gaia, спутник Herschel и аппарат НАСА «WMAP». В L2 размещен и запущенный в конце прошлого года телескоп «Джеймс Уэбб», с помощью которого планируют проводить перспективные исследования космоса — изучать в инфракрасной области спектра очень далекие галактики и зарождение звезд, а также искать экзопланеты.
Точка L3 расположена на противоположной стороне орбиты и постоянно скрыта от нас Солнцем. Фантасты предполагали, что с обратной стороны от звезды может находиться Антиземля. В 2007 году НАСА запустило сюда два спутника для поиска двойника Земли, однако обнаружить его не удалось.
Точки L4 и L5 — самые стабильные точки Лагранжа: любой объект, попавший в них, там и останется. Из-за способности захватывать космические тела эти точки называют «троянскими».
Для астрофизических наблюдений в системе Земля — Солнце эти точки не вполне пригодны из-за активности Солнца. Однако они интересны своим содержимым — космическими телами, которые в них загнала природа. В системе Юпитер — Солнце в точках L4 и L5 обнаружены огромные скопления астероидов (их называют греками и троянцами). Это древнейшие астероиды в Солнечной системе, их изучение может больше рассказать о космогонии, происхождении нашей планетарной системы.
Эти астероиды не только очень старые, но и очень массивные — по этому показателю они составляют значительную часть всего пояса астероидов в Солнечной системе. Изучать астероиды у Юпитера в 2021 году отправился зонд Lucy, запущенный НАСА. Любители научной фантастики, возможно, вспомнят, что космическая станция из сериала «Вавилон-5» была расположена в точке L5.
Чем точки Лагранжа могут быть полезны в будущем?
Точки Лагранжа имеют огромный потенциал для космических исследований. Прежде всего, в них удобно размещать зонды и телескопы и вести наблюдение за небесными телами. Аппараты долгое время могут работать в L-точках с минимальными затратами энергии, почти не расходуя ее на корректировку своего положения, чем уже пользуются астрофизики.
Если перейти в область научной фантастики, точки Лагранжа могут стать «пересадочными пунктами» на пути к другим планетам или Луне. Сторонники колонизации космоса рассматривают их для возможного размещения в них космических станций. Кстати, топливо можно сэкономить не только когда аппараты зафиксированы в точках Лагранжа, но и когда они совершают перелеты между ними.
Источник: postnauka.ru
