Что такое точки Лагранжа и почему в них не действует гравитация

И в чем их огромный потенциал для исследований космоса

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.

Астрофизик Ольга Сильченко о том, как точки Лагранжа используют в исследованиях космоса:

— Если мы запускаем телескоп на орбиту, то он крутится вокруг Земли. Нам он виден то днем, то ночью, надо все время за ним «бегать», поддерживать с ним связь — расставить антенны по всей Земле. Раньше так и поступали. И хорошо, что Россия — страна протяженная, система антенн, которая принадлежит петербургскому Институту прикладной астрономии РАН, растянулась от Карелии до Уссурийска. Но когда спутник улетел и находился над Америкой, наблюдать за ним уже не получалось, приходилось просить о помощи американских коллег. Такой способ не очень удобный: много антенн, много коллективов, с которыми надо договариваться.

Если мы запускаем спутник в точку Лагранжа, наладить с ним связь даже из одного пункта довольно просто. Телескоп наблюдает непрерывно, постоянно получает очень много информации. Эту информацию надо все время сбрасывать на Землю, на самом аппарате много ее накопить не получается. А когда он находится в точке Лагранжа, мы можем все время поддерживать связь с телескопом.

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: ПостНаука