Точки Лагранжа: определение, перспективы их использования в космической деятельности

Место отсутствия гравитации, или, как называют это явление астрономы, точки Лагранжа (по имени механика, астронома и математика из Франции эпохи Просвещения - Joseph Louis Lagrange), обозначаемые кратко L1 и далее до L5, - это не просто точки. Это громадные пространства космоса - в многие миллионы километров, где не работают законы гравитации. А это значит, что любой случайно попавший туда объект выбраться обратно не сможет. Гигантские космические области, обозначаемые как точки Лагранжа, где невозможно никакое движение, захватят его и никогда не выпустят. А если выпустят, то очень нескоро.

точки лагранжа

Математик

В 1736 году во французском Турине родился знаменитый итальянец, который, наравне с Эйлером, стал крупнейшим математиком восемнадцатого века. Особую славу снискало его исключительное мастерство обобщения и синтеза разнообразного научного материала. Жозеф Луи Лагранж написал трактат по аналитической механике, который сразу стал классикой математической науки, поскольку в нём устанавливались многие фундаментальные математические принципы, в том числе принцип возможных перемещений. Именно Лагранж окончательно математизировал механику.

Также он внёс огромнейший вклад в теорию чисел, математический анализ, численные методы, теорию вероятностей. Именно он создал вариационное исчисление. Однако вклад его в астрономию ничуть не меньше. Его открытие - точки Лагранжа - несколько веков будоражило все околонаучные умы, и это происходит до сих пор. Можно себе представить, сколько всего интересного накопилось в этих космических пространствах за четыре с половиной миллиарда лет!

Изучение

Не только пылевые облака, астероиды и скрытые планеты могут находиться там. Многие подозревают, что именно в этих недосягаемых безгравитационных пространствах спрятались пресловутые "зелёные человечки" с других планет и наблюдают из своих замечательных "тарелочек", как движется технический прогресс на Земле, приближая человечество к полной его деградации.

В эти прошедшие столетия такого плана научные спекуляции не прекращались, но скоро им будет положен конец. Человечество вплотную подошло к тому, чтобы раскрыть, наконец, эту тайну. Два космических аппарата, занимающиеся изучением Солнца, переключились на исследования другого плана. И они вот-вот достигнут этих загадочных пространств, обозначаемых L4 и L5, и уже на месте выяснят, что же скрывают в себе точки Лагранжа.

задача трех тел

Миссия

Даже если эти посланцы Земли и не обнаружат там инопланетные корабли, то всё равно многие учёные будут просто осчастливлены обнаружением в этих точках каких-либо космических скальных обломков невероятного возраста. А там наверняка скрыта изумительная популяция самых разнообразных объектов. Астрономы будут разыскивать небесные тела, используя специальный инструментарий, который припасён на борту космических зондов.

Конечно, всё это только предположения, и, возможно, никаких небесных тел там обнаружено не будет. Хотя Жозеф Луи Лагранж был уверен, что найдётся многое. Эти будущие находки могли бы предоставить недостающие сведения о том, как была сформирована Солнечная система, ромочь понять многие колоссальные взаимодействия, сформировавшие в том числе и Луну. Возможно, эти знания предостерегут землян от будущих столкновений космических тел с нашей планетой.

Суть учения

Точки Лагранжа в космосе были открыты в 1772 году, когда математик вычислил такое явление: Земля, как уже было известно, имеет гравитационное поле, и оно обязательно должно нейтрализовать притяжение Солнца именно в указанных точках пространства. И это единственные области, где объект действительно должен стать невесомым. Пять точек Лагранжа исключительно интересны в полном составе. Однако L4 и L5 интригуют более всех. Это единственно стабильные области. Например, точки Лагранжа L2 и L1 тоже летящий астероид задержат, но через некоторое время его отпускают в дальнейший полёт, а вот если объект попал в пространство L4 или L5, он может попрощаться с остальным космосом даже навсегда.

От Земли это недалеко, всего каких-то сто пятьдесят миллионов километров, и находятся эти точки прямо на плоскости орбиты, но вырваться, скорее всего, не получится. Это точки Лагранжа Земли: L4 в шестидесяти градусах впереди нашей планеты, а L5 под этим же углом позади неё, и все вместе мы вращаемся вокруг Солнца. Наверное, они охраняют Землю от падения на неё астероидов и других космических тел, лишая их собственного движения в своём безгравитационном пространстве. Самое интересное то, что вокруг других планет наблюдается та же картина, и наличие таких областей уже обнаружено.

жозеф луи лагранж

Ловушки

Макс Вольф в 1906 году обнаружил астероид, который назвал Ахиллесом. Он находился между Юпитером и Марсом, за основным поясом астероидов. Исследовав данные, учёный понял, что Ахиллес попал в L4 Юпитера как в ловушку. После этого открытия поднялась волна поисков подобных примеров. Все находки в таких точках были названы именами героев Троянской войны. В данный момент нашли чуть менее тысячи астероидов, которых уловили в свои антигравитационные сети юпитерианские точки Лагранжа. Земля, Луна - вот что более всего интересовало учёных.

"Троянские" астероиды около других планет обнаруживаются с трудом. У Сатурна не обнаружены, у Нептуна - только один. А вот Земля тщательно скрывает свои космические кладовые, и что она там припасла, пока не исследовано. Ждём информацию от пустившихся на поиски зондов - что обнаружат они из того, что скрывают от нас точки Лагранжа?

точки лагранжа земля луна

Земля

Солнце слишком близко находится от L4 и L5, именно поэтому они настолько труднодоступны для наблюдения с Земли. Ночью область L5 почти у горизонта и быстро уходит, а L4, наоборот, скрывается в рассветных лучах. К тому же обследовать нужно огромные области, большие, чем Луна в самой полной своей ипостаси. Однако поиски всё-таки идут. В 90-х годах для этих исследований использовался телескоп, находящийся на Гавайях. Интересных фактов обнаружено не было, а потому постепенно исследователи остыли к этой загадке.

Совсем недавно был запущен автоматический поиск, чтобы исследовать астероиды, находящиеся около Земли, особо уделяющий внимание космическим участкам в районах точек Лагранжа. Однако обнаружить не удалось пока ничего. Особая надежда учёных - на зонды КА STEREO, которые могут несколько прояснить ситуацию. Напомним, что они не к поиску астероидов приспособлены, а к изучению солнечных бурь. Однако запущены они были в 2006 году чётко по орбите - один впереди, другой позади Земли, и потому будут иметь возможность наблюдать не только солнечную активность. Для этого при подходе к зонам L4 и L5 наши летательные аппараты будут перенастроены на более медленный пролёт, который не позволит им попасться в гравитационную ловушку.

точки лагранжа земли

Откуда взялась Луна?

Почему у нашей Земли такой массивный спутник, откуда он появился - эти вопросы волновали человечество буквально всегда. Сегодня многие учёные уверены, что она была сформирована из разнообразного космического мусора, обломков космического объекта величиной с планету Марс, который врезался в Землю четыре миллиарда лет назад. Как случилось, что после такого столкновения Земля ещё существует? Ведь должно было быть всё наоборот: Земля вдребезги и никакой Луны. А тут огромное космическое тело само распалось на куски от удара и образовало из обломков нашу любимую спутницу поэтов, как так?

Только одно объяснение. Этот космический объект должен быть сформирован где-то поблизости, чтобы не успеть разогнаться в полёте. Эту гипотезу подтверждает и обнаружение в лунном грунте ровно такое же количество изотопов кислорода, как и на Земле. На Марсе другое соотношение. Но как могло тут, буквально рядом, незаметно сформироваться такое огромное небесное тело и не столкнуться с Землёй гораздо раньше? А вот если оно в одной из точек Лагранжа формировалось - это всё объясняет. Формирование близко к Земле - потому и изотопов кислорода одинаковое количество. На одной и той же орбите могла быть и скорость близкая к одинаковой. И если зонды, летящие к точкам Лагранжа, обнаружат остатки этого космического объекта, теория, можно считать, доказана.

точки лагранжа l2

Угроза

Некоторыми астрономами высказывается предположение, что в таких необъятных просторах, как точки Лагранжа, вполне может оказаться тело размерами в планету, ведь вещество, необходимое для его формирования, собиралось там четыре с половиной миллиарда лет. Планеты и тогда составлялись из космической пыли и газа, а L4 и L5 были и остаются превосходными аккумуляторами для этой цели. Ну, может, и не планета, однако угрожающих размеров астероид там скрываться вполне может.

А ведь это замедленного действия бомба, спрятанная от посторонних глаз. Ближайшие планеты, особенно Венера, могут оказать такое гравитационное влияние, которое постепенно оттянет эту махину из точки Лагранжа и направит его прямёхонько на Землю. И если там такое космическое тело зонды обнаружат, придётся его взорвать, а обломки взять на изучение.

Задача трех тел

Солнечная система имеет огромное количество эффектов, природным образом связанных с движением планет, Луны, Земли. Таким же эффектом являются и точки Лагранжа. Как с ними будет взаимодействовать космический аппарат? Вот Земля, а вокруг неё летает Луна по круговой орбите, а больше ничего в природе как бы и нет. Это поставлена ограниченная задача трех тел, где третьим будет рассматриваемый нами космический аппарат и его движение. Если он находится на той линии, которая соединяет Луну и Землю, то прочувствует два гравитационных ускорения - притяжение Луны, притяжение Земли, плюс добавится к этим ускорениям третье - центростремительное, потому что и сама эта линия постоянно вращается.

На орбите

Конечно же, не может не существовать точка, где все эти ускорения пересекутся, обнулятся. Это будет точка равновесия, иначе - точка Лагранжа (или либрационная точка). Точек таких пять. Три первые соединяют Луну и Землю, это коллинеарные точки Лагранжа. Помещённый в любую из этих точек космический аппарат там и будет висеть, а если слегка отклонится, то в окрестностях найдёт свою собственную орбиту.

Причём она будет неминуемо меняться, потому что Луна вокруг Земли ходит не по кругу, а орбита её слегка вытянута. И Солнце влияет, разумеется. Но этот способ имеет будущее, потому что корректировать орбиту аппарата на территории, где расположены точки Лагранжа, малозатратно. Здесь можно использовать двигатели малой тяги. Окрестности таких точек удобно использовать для даже и пилотируемых космических полётов.

точки лагранжа земля солнце

Система Земля-Солнце

Здесь тоже имеются пять точек либрации, и космические исследования ставят себе уже совершенно другие задачи, чем в освоении окололунных. Первые полёты осуществлялись с 1978 года и реализоваться успели несколько интересных миссий. Главная цель - наблюдение за солнечной активностью и солнечным ветром. Это стало более возможным при использовании точки Лагранжа L1. L2 интересна для астрофизиков, потому что аппарат из окрестностей этой точки может использовать телескоп, экранированный от солнечного излучения, - ведь он постоянно направлен в другую сторону от него. Астрофизические наблюдения можно проводить с наиболее чистыми расчётами.

Проектами, связанными с точками Лагранжа, "Луна-Земля", в нашей стране сейчас практически не занимаются, отдав эту тему европейским и американским учёным. А солнечными точками - занимаются, накопив уже огромный опыт. Однако большие программы закончились вместе с Советским Союзом.