Точките на Лагранж: какви са тези странни места в Слънчевата система, където практически гравитацията “не работи”

В Слънчевата система съществуват места, където практически отсъства гравитация –точките на Лагранж. По-точно, тя там съществува, но едновременно от няколко големи космически тела, насочена в различни посоки. Затова всеки не особено голям обект, попаднал в тези области, може да остане там милиарди години.

Какво е точка на Лагранж?

През 1772 година френският математик Жозе Луи Лагранж пресметнал, че гравитационното поле на Земята трябва да се неутрализира с гравитационното привличане с най-големия космически обект в нашата система – Слънцето. Изчисленията показали , че това е факт в пет точки в космическото пространство и в тях практически не работи гравитацията благодарение на еднаквата сила на привличане от няколко космически тела.

Тези точки са наречени точките на Лагранж и се обозначават като L1, L2, L3, L4, L5. За учените най-голям интерес представляват точките L4 и L5, които са единствените стабилни сред всичките точки на Лагранж. Ако спътник попадне в точките L1 или L2 след няколко месеца, орбитите им ще се променят и областта, в която отсъства гравитация също ще се измести. Затова космическият обект, който ще бъде в тях, ще му се наложи да извършва различни маневри, за да остава в тези области.

Точките L4 и L5, които се смятат за най-стабилните са разположени на плоскостта на земната орбита и са на разстояние 150 милиона километра от нашата планета (за сравнение разстоянието от Земята до Луната е 384 хиляди км, а средното разстояние до Венера е в диапазона от 38 до 250 млн. км). Точката L4 се върти около Слънцето с 60⁰ преди Земята, L5 – с 60⁰ след Земята.

Покрай другите планети в Слънчевата система също има такива точки. През 1906 година немският астроном и пионер в астрофотографията Максимилиан Волф е открил астероид, който се намира постоянно на едно и също място зад главния астероиден пояс между орбитите на Марс и Юпитер. Този астероид се намира в точката L4 на Юпитер и е получил името Ахил. От него тръгнала традицията да се наричат подобни астероиди на имената на участници в Троянската война. Вече са открити повече от хиляда астероида, намиращи се в двете стабилни юпитерови точки на Лагранж .

Около другите планети в нашата Слънчева система усилията да се открият астероиди не са толкова успешни. Около Сатурн досега не е открит нито един, а около Нептун – един.

И все пак как работи това?

Точката на Лагранж е такова място в космоса, където обединените гравитационни сили на две масивни космически тела са равни на центробежната сила. Взаимодействието на тези сили създава точка на равновесие, където може вечно да „паркира” условен космически обект, например космически кораб или спътник, от който да се извършват наблюдения. Ако този космически обект е изстрелян твърде близо до Слънцето , то постепенно гравитацията ще притегля към звездата и той или ще падне на Слънцето, или ще излезе на слънчева орбита. Ако е близо до Земята , съответно или ще се окаже на околоземна орбита, или ще навлезе в атмосферата на нашата планета и ще изгори.

В точките на Лагранж космическият апарат ще остава там, за където е изстрелян. Попадайки в нестабилните точки L1, L2 и L3 нашият спътник известно време ще бъде в тези области , но след това гравитационните сили ще се променят и космическият ни апарат ще полети по-нататък. Това можем да го сравним ако поставим камъче отгоре на обърната чаша. То там ще лежи, но ако ударим силно по масата, ще падне.

В същото време L4 и L5 винаги са стабилни. Даже ако спътникът ви не се е добрал идеално до местоназначението си в тези области, гравитацията така ще му действа, че той постоянно ще остава там.

Как могат да се използват точките на Лагранж?

Учените в областта на космонавтиката още през 70-те години на миналия век обърнали внимание на точките на Лагранж от практическа гледна точка.

Например в точката L1 на системата Земя-Слънце може да се разположи космическа слънчева обсерватория. Там никога няма да пада сянка от Земята и наблюденията могат да се водят непрекъснато.

Точка L2 от същата система е практически идеална за изпращане там на космически телескоп. В нея почти винаги Земята закрива достъпа на слънчева светлина и не го отразява, което би позволило на учените да изучават другите звезди.

В точката L1 на системата Земя-Луна може да се разположи ретранслационна станция, която постоянно да се намира в зоната на пряка видимост за по-голяма част от видимата част на Луната. По тази причина на бъдещите лунни колониалисти ще са им нужни десетки пъти по-маломощни предаватели за връзка.

Съществуват множество проекти, в които астрофизиците планират по един или друг начин да използват точките на Лагранж в своите изследвания.

ISEE – 3 ( International Sun-Earth Explorer -3 ) е първият космически апарат , изведен в точка L1 на системата Земя-Слънце. Той е изстрелян още през 1978 година и в рамките на своята мисия е трябвало да докаже, че съществуването на точките на Лагранж е реалност. Той също изследвал магнитосферата на Земята, която е на разстояние 1,5 милиона км от нашата планета. През 1985 година ISEE-3 e преименуван на ICE (International Cometary Explorer) и е първият космически апарат преминал през плазмената опашка на комета ( на кометата Джакобини – Цинер) , след което вече от няколко десетилетия се намира в открития космос в изключено състояние (връзката с ICE беше възстановена за кратък период през 2014 година).

В точка L1 на системата Земя-Слънце в момента има няколко мисии, в това число сондата GGS Wind, която изучава слънчевия вятър, апаратът SOHO за изучаване на хелиосферата и DSCOVR за анализ на слънчевите коронарни изхвърляния.

В точката L2 на системата Земя-Слънце дълго време се намираха спътникът WMAP за изучаване на реликтовото излъчване, възникнало по време на Големия взрив, космическата обсерватория Hershel и космическата обсерватория Planck. Сега там към края на своята мисия е космическия телескоп Gaia на Европейската космическа агенция . В лизкото бъдеще се планира там да бъде насочен един от най-важните предстоящи проекти за изучаване на космоса, а именно телескопът James Webb, който ще поеме щафетата от легендарния Hubble.

А защо в такива точки не обмислят да строят колонии?

Мислят. Има вече няколко проекта за създаване на колонии в точките на Лагранж и даже има обществени обединения, които популяризират тази идея. Това са L5 Society, Lagrangian Republican Association и National Space Society. Най-известният поддръжник на създаването на колонии в точките на Лагранж е астрофизика Джерард О’Нийл (Gerard Kitchen “Gerry” O’Neill), който предложи концепцията „Цилиндърът на О’Нийл” или „Остров III” за космически станции, разположени в една стабилна точка на системата Земя – Луна, описана в книгата му “The High Frontier: Humans Colonies In Space”.