BV Bulyubash,
, MSTU im. R.E. Alekseeva, Nizhny Novgorod

Punti di Lagrange

Circa 400 anni fa, gli astronomi avevano a disposizione un nuovo strumento per studiare il mondo dei pianeti e delle stelle: il telescopio Galileo Galilei. Passò pochissimo tempo e ad essa furono aggiunte la legge della gravitazione universale e le tre leggi della meccanica scoperte da Isaac Newton. Ma solo dopo la morte di Newton furono sviluppati metodi matematici, che ha permesso di utilizzare efficacemente le leggi da lui scoperte e di effettuare calcoli accurati delle traiettorie dei corpi celesti. Gli autori di questi metodi furono matematici francesi. Figure chiave furono Pierre Simon Laplace (1749–1827) e Joseph Louis Lagrange (1736–1813). In larga misura, fu grazie ai loro sforzi che fu creata una nuova scienza: la meccanica celeste. Così la chiamava Laplace, per il quale la meccanica celeste divenne la base della filosofia del determinismo. In particolare, divenne ampiamente nota l'immagine di una creatura immaginaria descritta da Laplace, che, conoscendo la velocità e le coordinate di tutte le particelle nell'Universo, poteva predire inequivocabilmente il suo stato in qualsiasi momento futuro. Questa creatura - il "demone di Laplace" - personificava l'idea principale della filosofia del determinismo. E l'ora più bella nuova scienza avvenne il 23 settembre 1846 con la scoperta dell'ottavo pianeta del sistema solare: Nettuno. L'astronomo tedesco Johann Halle (1812–1910) scoprì Nettuno esattamente dove avrebbe dovuto trovarsi secondo i calcoli del matematico francese Urbain Le Verrier (1811–1877).

Uno di risultati incredibili la meccanica celeste fu la scoperta da parte di Lagrange nel 1772 della cosiddetta punti di librazione. Secondo Lagrange, in un sistema a due corpi ci sono un totale di cinque punti (solitamente chiamati Punti di Lagrange), in cui la somma delle forze agenti su un terzo corpo posto in un punto (la cui massa è significativamente inferiore alle masse degli altri due) è pari a zero. Naturalmente parliamo di un sistema di riferimento rotante, nel quale sul corpo, oltre alle forze di gravità, agirà anche la forza d'inerzia centrifuga. Nel punto di Lagrange, quindi, il corpo sarà in uno stato di equilibrio. Nel sistema Sole-Terra, i punti di Lagrange sono posizionati come segue. Sulla linea retta che collega il Sole e la Terra ci sono tre punti su cinque. Punto l 3 si trova sul lato opposto dell'orbita terrestre rispetto al Sole. Punto l 2 si trova sullo stesso lato del Sole della Terra, ma in esso, diversamente l 3, Il Sole è coperto dalla Terra. E punto l 1 è sulla linea retta di collegamento l 2 e l 3, ma tra la Terra e il Sole. Punti l 2 e l 1 è separato dalla Terra della stessa distanza: 1,5 milioni di km. Per le loro caratteristiche, i punti di Lagrange attirano l'attenzione degli scrittori di fantascienza. Quindi, nel libro “Solar Storm” di Arthur C. Clarke e Stephen Baxter, è nel punto di Lagrange l 1 stanno costruendo un enorme schermo progettato per proteggere la Terra da una tempesta solare super potente.

I restanti due punti lo sono l 4 e l 5 sono nell'orbita terrestre, uno è davanti alla Terra, l'altro è dietro. Questi due punti differiscono in modo molto significativo dagli altri, poiché l'equilibrio dei corpi celesti in essi contenuti sarà stabile. Ecco perché l'ipotesi è così popolare tra gli astronomi che in prossimità dei punti l 4 e l 5 potrebbe contenere i resti di una nube di gas e polvere dell'era della formazione dei pianeti del Sistema Solare, terminata 4,5 miliardi di anni fa.

Dopo che le stazioni interplanetarie automatiche iniziarono ad esplorare il Sistema Solare, l'interesse per i punti di Lagrange aumentò notevolmente. Quindi, in prossimità del punto l 1 sonda spaziale sta conducendo ricerche sul vento solare NASA: SOHO (Osservatorio solare ed eliosferico) E Vento(tradotto dall'inglese – vento).

Un altro dispositivo NASA– sonda WMAP (sonda per anisotropia a microonde Wilkinson)– situato in prossimità del punto l 2 e studia la radiazione cosmica di fondo a microonde. In direzione l 2 telescopi spaziali “Planck” e “Herschel” sono in movimento; nel prossimo futuro ad essi si aggiungerà il telescopio Webb, che dovrebbe sostituire il famoso e longevo telescopio spaziale Hubble. Per quanto riguarda i punti l 4 e l 5, poi dal 26 al 27 settembre 2009, sonde gemelle STEREO-A E STEREO-B trasmesso alla Terra numerose immagini di processi attivi sulla superficie del Sole. Piani di progetto iniziali STEREO recentemente sono stati notevolmente ampliati e attualmente si prevede che le sonde verranno utilizzate anche per studiare le vicinanze dei punti di Lagrange per verificare la presenza di asteroidi lì. l'obiettivo principale Tale ricerca prevede il test di modelli computerizzati che prevedono la presenza di asteroidi in punti Lagrange “stabili”.

A questo proposito va detto che nella seconda metà del XX secolo, quando divenne possibile risolvere numericamente al computer equazioni complesse la meccanica celeste, l’immagine di un sistema solare stabile e prevedibile (e con essa la filosofia del determinismo) è finalmente diventata un ricordo del passato. Modellazione informatica ha dimostrato che dall'inevitabile imprecisione nei valori numerici delle velocità e delle coordinate dei pianeti in un dato momento nel tempo seguono differenze molto significative nei modelli dell'evoluzione del sistema solare. Quindi, secondo uno scenario, il sistema solare potrebbe addirittura perdere uno dei suoi pianeti tra centinaia di milioni di anni.

Allo stesso tempo, i modelli computerizzati offrono un’opportunità unica per ricostruire gli eventi accaduti nella lontana era della giovinezza del sistema solare. Così divenne ampiamente noto il modello del matematico E. Belbruno e dell'astrofisico R. Gotta (Università di Princeton), secondo il quale in uno dei punti di Lagrange ( l 4 o l 5) in un lontano passato si formò il pianeta Theia ( Teia). L'influenza gravitazionale degli altri pianeti costrinse Thea ad un certo punto a lasciare il punto di Lagrange, entrare in una traiettoria verso la Terra e alla fine scontrarsi con essa. Il modello di Gott e Belbruno concretizza un'ipotesi condivisa da molti astronomi. Secondo esso, la Luna è costituita da materiale formatosi circa 4 miliardi di anni fa dopo la collisione di un oggetto spaziale delle dimensioni di Marte con la Terra. Questa ipotesi, però, ha un punto debole: la questione dove esattamente potrebbe essersi formato un oggetto del genere. Se il luogo della sua nascita fossero aree del sistema solare lontane dalla Terra, allora la sua energia sarebbe molto grande e il risultato della sua collisione con la Terra non sarebbe la creazione della Luna, ma la distruzione della Terra. Di conseguenza, un oggetto del genere dovrebbe essersi formato non lontano dalla Terra, e la vicinanza di uno dei punti di Lagrange è abbastanza adatta per questo.

Ma poiché gli eventi potrebbero svilupparsi in questo modo in passato, cosa impedisce che si ripetano in futuro? Non crescerà, in altre parole, un’altra Theia in prossimità dei punti Lagrange? il prof. P. Weigert (Università dell'Ontario Occidentale, Canada) ritiene che ciò sia impossibile, poiché sistema solare Al momento, chiaramente non ci sono abbastanza particelle di polvere per formare tali oggetti, ma 4 miliardi di anni fa, quando i pianeti si formarono da particelle di gas e nubi di polvere, la situazione era fondamentalmente diversa. Secondo R. Gott, gli asteroidi potrebbero essere scoperti nelle vicinanze dei punti Lagrange, i resti del "materiale da costruzione" del pianeta Theia. Tali asteroidi possono diventare un fattore di rischio significativo per la Terra. In effetti, l'influenza gravitazionale di altri pianeti (e soprattutto Venere) potrebbe essere sufficiente affinché l'asteroide lasci le vicinanze del punto di Lagrange, e in questo caso potrebbe entrare in una traiettoria di collisione con la Terra. L'ipotesi di Gott ha una preistoria: già nel 1906, M. Wolf (Germania, 1863-1932) scoprì asteroidi nei punti Lagrange del sistema Sole-Giove, i primi fuori dalla fascia degli asteroidi tra Marte e Giove. Successivamente ne furono scoperti più di mille nelle vicinanze dei punti Lagrange del sistema Sole-Giove. I tentativi di trovare asteroidi vicino ad altri pianeti del sistema solare non hanno avuto così tanto successo. Apparentemente non sono ancora vicini a Saturno e solo nell'ultimo decennio sono stati scoperti vicino a Nettuno. Per questo motivo è del tutto naturale che la questione della presenza o assenza di asteroidi nei punti Lagrange del sistema Terra-Sole sia di grande preoccupazione per gli astronomi moderni.

P. Weigert, utilizzando un telescopio sul Mauna Kea (Hawaii, USA), già provato agli inizi degli anni '90. XX secolo trova questi asteroidi. Le sue osservazioni furono meticolose, ma non portarono al successo. Relativamente di recente sono stati lanciati programmi di ricerca automatica di asteroidi, in particolare il Progetto Lincoln per la ricerca di asteroidi vicini alla Terra (Progetto Lincoln Near Earth Asteroid Research). Tuttavia, non hanno ancora prodotto alcun risultato.

Si presume che le sonde STEREO porterà tali ricerche a un livello di accuratezza fondamentalmente diverso. Il volo delle sonde nelle vicinanze dei punti di Lagrange era stato pianificato fin dall'inizio del progetto, e dopo l'inclusione nel progetto del programma di ricerca degli asteroidi, si è discussa anche la possibilità di lasciarle per sempre nelle vicinanze di questi punti.

I calcoli, tuttavia, hanno dimostrato che fermare le sonde richiederebbe un consumo di carburante eccessivo. Considerando questa circostanza, i project manager STEREO Abbiamo optato per l'opzione del volo lento di queste aree dello spazio. Ci vorranno mesi. A bordo delle sonde sono posizionati registratori eliosferici ed è con il loro aiuto che verranno esplorati gli asteroidi. Anche così, il compito rimane molto difficile, poiché nelle immagini future gli asteroidi saranno solo puntini che si muovono su uno sfondo di migliaia di stelle. Capi progetto STEREO contare sull'assistenza attiva nella ricerca da parte degli astrofili che vedranno le immagini risultanti su Internet.

Gli esperti sono molto preoccupati per la sicurezza del movimento delle sonde in prossimità dei punti di Lagrange. Infatti, le collisioni con “particelle di polvere” (che possono essere di dimensioni piuttosto grandi) possono danneggiare le sonde. Nel loro volo le sonde STEREO hanno già incontrato ripetutamente particelle di polvere, da una a diverse migliaia al giorno.

L'intrigo principale delle prossime osservazioni è la completa incertezza sulla questione di quanti asteroidi le sonde dovrebbero "vedere" STEREO(se lo vedono affatto). Nuovi modelli computerizzati non hanno reso la situazione più prevedibile: ne consegue che l'influenza gravitazionale di Venere non solo può "tirare" gli asteroidi dai punti di Lagrange, ma anche contribuire al movimento degli asteroidi verso questi punti. Il numero totale di asteroidi nelle vicinanze dei punti di Lagrange non è molto grande (“non stiamo parlando di centinaia”) e le loro dimensioni lineari sono due ordini di grandezza inferiori alle dimensioni degli asteroidi della fascia tra Marte e Giove. Le sue previsioni saranno confermate? C'è solo un po' di tempo per aspettare...

Basato sui materiali dell'articolo (tradotto dall'inglese)
S. Clark. Vivere in assenza di gravità //New Scientist. 21 febbraio 2009

Sono stati condotti esperimenti sul posizionamento di veicoli spaziali nei punti Lagrange del sistema Terra-Luna?

Nonostante il fatto che l'umanità conosca da molto tempo i cosiddetti punti di liberazione esistenti nello spazio e le loro straordinarie proprietà, hanno iniziato ad essere utilizzati per scopi pratici solo nel 22esimo anno dell'era spaziale. Ma prima parliamo brevemente dei punti miracolosi stessi.

Furono scoperti per la prima volta teoricamente da Lagrange (di cui ora portano il nome), come conseguenza della risoluzione del cosiddetto problema dei tre corpi. Lo scienziato è stato in grado di determinare dove nello spazio possono esserci punti in cui la risultante di tutte le forze esterne diventa zero.

I punti si dividono in stabili ed instabili. Quelli stabili sono solitamente designati L 4 e L 5 . Si trovano sullo stesso piano dei due principali corpi celestiali(V in questo caso- Terra e Luna), formando con essi due triangoli equilateri, per cui vengono spesso detti triangolari. La navicella può rimanere nei punti triangolari per tutto il tempo desiderato. Anche se devia lateralmente, le forze agenti lo riporteranno comunque nella posizione di equilibrio. La navicella spaziale sembra cadere in un imbuto gravitazionale, come una palla da biliardo in una tasca.

Tuttavia, come abbiamo detto, esistono anche punti di librazione instabili. In essi, la navicella, al contrario, si trova come su una montagna, essendo stabile solo in cima. Qualsiasi influenza esterna lo devia di lato. Raggiungere un punto di Lagrange instabile è estremamente difficile: richiede una navigazione estremamente precisa. Pertanto, il dispositivo deve spostarsi solo in prossimità del punto stesso nella cosiddetta “orbita dell'alone”, consumando di tanto in tanto carburante per mantenerlo, anche se molto poco.

Ci sono tre punti instabili nel sistema Terra-Luna. Spesso vengono anche detti rettilinei, poiché si trovano sulla stessa linea. Uno di essi (L 1) si trova tra la Terra e la Luna, a 58mila km da quest'ultima. Il secondo (L 2) si trova in modo da non essere mai visibile dalla Terra: si nasconde dietro la Luna, a 65mila km da essa. L'ultimo punto (L 3), invece, non è mai visibile dalla Luna, poiché è bloccato dalla Terra, dalla quale dista circa 380mila km.

Sebbene sia più redditizio trovarsi in punti stabili (non è necessario consumare carburante), i veicoli spaziali finora hanno conosciuto solo quelli instabili, o meglio, solo uno di essi, e anche allora legati al sistema Sole-Terra . Si trova all'interno di questo sistema, a 1,5 milioni di km dal nostro pianeta e, come il punto tra la Terra e la Luna, è designato L 1. Se visto dalla Terra, viene proiettato direttamente sul Sole e può servire come punto ideale per seguirlo.

Questa opportunità fu utilizzata per la prima volta dall’ISEE-3 americano, lanciato il 12 agosto 1978. Dal novembre 1978 al giugno 1982 è stato in un'"orbita alone" attorno al punto Li, studiando le caratteristiche del vento solare. Alla fine di questo periodo fu lui, già ribattezzato ICE, a diventare il primo ricercatore di comete della storia. Per fare ciò, il dispositivo lasciò il punto di librazione e, dopo aver compiuto diverse manovre gravitazionali nei pressi della Luna, nel 1985 volò vicino alla cometa Giacobini-Zinner. L'anno successivo esplorò anche la cometa di Halley, anche se solo ad avvicinamenti distanti.

Il successivo visitatore del punto L 1 del sistema Sole-Terra è stato l'osservatorio solare europeo SOHO, lanciato il 2 dicembre 1995 e, purtroppo, recentemente perso a causa di un errore di controllo. Durante il suo lavoro sono state ottenute molte importanti informazioni scientifiche e sono state fatte molte scoperte interessanti.

Infine, l'ultimo apparato lanciato finora nelle vicinanze di L 1 è stato l'apparato americano ACE, progettato per studiare i raggi cosmici e il vento stellare. È stato lanciato dalla Terra il 25 agosto dello scorso anno e attualmente sta conducendo con successo le sue ricerche.

Qual è il prossimo? Ci sono nuovi progetti legati ai punti di librazione? Naturalmente esistono. Così, negli Stati Uniti, è stata accettata la proposta del vicepresidente A. Gore per un nuovo lancio in direzione del punto L 1 del sistema Sole-Terra dell'apparato scientifico ed educativo "Triana", già soprannominato "Gore Camera" .

A differenza dei suoi predecessori, non controllerà il Sole, ma la Terra. Il nostro pianeta da questo punto è sempre visibile in piena fase ed è quindi molto comodo per le osservazioni. Si prevede che le immagini ricevute dalla Gora Camera verranno caricate su Internet quasi in tempo reale e l'accesso ad esse sarà aperto a tutti.

Esiste anche un progetto di “liberazione” russo. Si tratta del dispositivo Relikt-2, progettato per raccogliere informazioni sulla radiazione cosmica di fondo a microonde. Se vengono trovati i finanziamenti per questo progetto, allora lo attende il punto di librazione L 2 nel sistema Terra-Luna, cioè quello nascosto dietro la Luna.

Nel sistema di rotazione di due corpi cosmici di una certa massa, ci sono punti nello spazio dove, collocando un qualsiasi oggetto di piccola massa, è possibile fissarlo in una posizione stazionaria rispetto a questi due corpi di rotazione. Questi punti sono chiamati punti di Lagrange. L'articolo discuterà di come vengono utilizzati dagli esseri umani.

Cosa sono i punti di Lagrange?

Per comprendere questo problema, è necessario rivolgersi alla soluzione del problema di tre corpi rotanti, due dei quali hanno una massa tale che la massa del terzo corpo è trascurabile rispetto ad essi. In questo caso è possibile trovare posizioni nello spazio in cui i campi gravitazionali di entrambi i corpi massicci compenseranno la forza centripeta dell'intero sistema rotante. Queste posizioni saranno punti di Lagrange. Collocandovi un corpo di piccola massa, potete osservare come le sue distanze da ciascuno dei due corpi massicci non cambino per un certo periodo di tempo. Qui possiamo tracciare un'analogia con l'orbita geostazionaria, in cui il satellite si trova sempre sopra un punto sulla superficie terrestre.

È necessario chiarire che un corpo che si trova nel punto di Lagrange (detto anche punto libero o punto L), rispetto ad un osservatore esterno, si muove attorno a ciascuno dei due corpi con una grande massa, ma questo movimento, insieme a il movimento dei due rimanenti corpi del sistema, ha il seguente carattere, che rispetto a ciascuno di essi il terzo corpo è in quiete.

Quanti di questi punti ci sono e dove si trovano?

Per un sistema di rotazione di due corpi con massa assolutamente qualsiasi, ci sono solo cinque punti L, che di solito sono designati L1, L2, L3, L4 e L5. Tutti questi punti si trovano nel piano di rotazione dei corpi in questione. I primi tre punti si trovano sulla linea che collega i centri di massa dei due corpi in modo tale che L1 si trovi tra i corpi e L2 e L3 siano dietro ciascuno dei corpi. I punti L4 e L5 sono posizionati in modo tale che se colleghi ciascuno di essi con i centri di massa di due corpi del sistema, otterrai due triangoli identici nello spazio. La figura seguente mostra tutti i punti Lagrange Terra-Sole.

Le frecce blu e rosse nella figura mostrano la direzione di azione della forza risultante quando si avvicina al punto libero corrispondente. Dalla figura si vede che le aree dei punti L4 e L5 sono molto più grandi delle aree dei punti L1, L2 e L3.

Riferimento storico

L'esistenza di punti liberi in un sistema di tre corpi rotanti fu dimostrata per la prima volta da un matematico italo-francese nel 1772. Per fare ciò, lo scienziato ha dovuto introdurre alcune ipotesi e sviluppare una propria meccanica, diversa da quella di Newton.

Lagrange calcolò i punti L, che presero il suo nome, per orbite circolari di rotazione ideali. In realtà le orbite sono ellittiche. Quest'ultimo fatto porta al fatto che i punti di Lagrange non esistono più, ma esistono regioni in cui un terzo corpo di piccola massa compie un movimento circolare simile al moto di ciascuno dei due corpi massicci.

Punto libero L1

L'esistenza del punto di Lagrange L1 è facile da dimostrare utilizzando il seguente ragionamento: prendiamo come esempio il Sole e la Terra, secondo la terza legge di Keplero, quanto più un corpo è vicino alla sua stella, tanto più breve è il suo periodo di rotazione attorno a questa stella ( il quadrato del periodo di rotazione del corpo è direttamente proporzionale al cubo della distanza media del corpo dalla stella). Ciò significa che qualsiasi corpo che si trova tra la Terra e il Sole orbiterà attorno alla stella più velocemente del nostro pianeta.

Tuttavia, non tiene conto dell'influenza della gravità del secondo corpo, cioè della Terra. Se teniamo conto di questo fatto, possiamo supporre che quanto più il terzo corpo di piccola massa è vicino alla Terra, tanto più forte sarà la contrazione della gravità terrestre su quella solare. Di conseguenza, ci sarà un punto in cui la gravità terrestre rallenterà la velocità di rotazione del terzo corpo attorno al Sole in modo tale che i periodi di rotazione del pianeta e del corpo saranno uguali. Questo sarà il punto libero L1. La distanza del punto di Lagrange L1 dalla Terra è pari a 1/100 del raggio dell'orbita del pianeta attorno alla stella ed è di 1,5 milioni di km.

Come viene utilizzata l'area L1? Questo è un luogo ideale per osservare la radiazione solare poiché non si verificano mai eclissi solari. Attualmente esistono diversi satelliti situati nella regione L1 che studiano il vento solare. Uno di questi è il satellite artificiale europeo SOHO.

Per quanto riguarda questo punto Lagrange Terra-Luna, si trova a circa 60.000 km dalla Luna e viene utilizzato come punto di “trasbordo” durante le missioni di veicoli spaziali e satellitari sulla Luna e ritorno.

Punto libero L2

Ragionando in modo simile al caso precedente, possiamo concludere che in un sistema di due corpi di rivoluzione, fuori dall'orbita di un corpo di massa minore, dovrebbe esistere una regione in cui la diminuzione della forza centrifuga è compensata dalla gravità di questo corpo , che porta all'equalizzazione dei periodi di rotazione del corpo con massa minore e del terzo corpo attorno al corpo con massa maggiore. Questa zona è un punto libero L2.

Se consideriamo il sistema Sole-Terra, allora a questo punto di Lagrange la distanza dal pianeta sarà esattamente la stessa del punto L1, cioè 1,5 milioni di km, solo L2 si trova dietro la Terra e più lontano dal Sole. Poiché nella regione L2 non vi è alcuna influenza della radiazione solare dovuta alla protezione della terra, viene utilizzata per osservare l'Universo, posizionando qui vari satelliti e telescopi.

Nel sistema Terra-Luna, il punto L2 si trova dietro il satellite naturale della Terra ad una distanza di 60.000 km da esso. Lunar L2 contiene satelliti utilizzati per osservare il lato nascosto della Luna.

Punti liberi L3, L4 e L5

Il punto L3 nel sistema Sole-Terra si trova dietro la stella, quindi non può essere osservato dalla Terra. Il punto non viene utilizzato in alcun modo, poiché è instabile a causa dell'influenza della gravità di altri pianeti, ad esempio Venere.

I punti L4 e L5 sono le regioni Lagrangiane più stabili, quindi ci sono asteroidi o polvere cosmica vicino a quasi tutti i pianeti. Ad esempio, in questi punti Lagrange della Luna esiste solo polvere cosmica, mentre gli asteroidi troiani si trovano a L4 e L5 di Giove.

Altri usi dei punti gratuiti

Oltre a installare satelliti e osservare lo spazio, i punti Lagrange della Terra e di altri pianeti possono essere utilizzati anche per i viaggi spaziali. Dalla teoria consegue che i movimenti attraverso i punti Lagrange di diversi pianeti sono energeticamente favorevoli e richiedono poco dispendio energetico.

Ancora uno esempio interessante L'uso del punto L1 della Terra è diventato un progetto di fisica di uno scolaro ucraino. Propose di posizionare una nuvola di polvere di asteroidi in quest'area, che proteggerebbe la Terra dal vento solare distruttivo. Pertanto, il punto può essere utilizzato per influenzare il clima dell'intero pianeta blu.

Qualunque sia l'obiettivo che ti prefiggi, qualunque sia la missione che pianifichi, uno dei maggiori ostacoli sul tuo cammino nello spazio sarà il carburante. Ovviamente, una certa quantità è necessaria per lasciare la Terra. Più carico deve essere portato fuori dall’atmosfera, più carburante è necessario. Ma a causa di ciò, il razzo diventa ancora più pesante e tutto si trasforma in un circolo vizioso. Questo è ciò che ci impedisce di inviare diverse stazioni interplanetarie a indirizzi diversi su un razzo: semplicemente non c'è abbastanza spazio per il carburante. Tuttavia, negli anni '80 del secolo scorso, gli scienziati trovarono una scappatoia: un modo per viaggiare nel sistema solare utilizzando quasi senza carburante. Si chiama Rete di Trasporto Interplanetario.

Metodi attuali di volo spaziale

Oggi, spostarsi tra oggetti nel sistema solare, ad esempio, viaggiando dalla Terra a Marte, di solito richiede un cosiddetto volo sull’ellisse di Hohmann. Il veicolo di lancio viene lanciato e poi accelerato finché non supera l'orbita di Marte. Vicino al pianeta rosso, il razzo rallenta e inizia a ruotare attorno alla sua destinazione. Brucia molto carburante sia in accelerazione che in frenata, ma l'ellisse di Hohmann rimane uno dei più modi efficaci muoversi tra due oggetti nello spazio.

Ellisse di Hohmann - Arco I - volo dalla Terra a Venere. Arco II - volo da Venere a Marte Arco III - ritorno da Marte alla Terra.

Vengono utilizzate anche le manovre gravitazionali, che possono essere ancora più efficaci. Durante l'esecuzione, la navicella accelera utilizzando la forza gravitazionale di un grande corpo celeste. L'aumento di velocità è molto significativo quasi senza l'uso di carburante. Usiamo queste manovre ogni volta che inviamo le nostre stazioni in un lungo viaggio dalla Terra. Tuttavia, se una nave deve entrare nell'orbita di un pianeta dopo una manovra gravitazionale, deve comunque rallentare. Naturalmente, ricorda che ciò richiede carburante.

Questo è esattamente il motivo per cui alla fine del secolo scorso alcuni scienziati hanno deciso di affrontare il problema dal lato opposto. Trattarono la gravità non come una fionda, ma come un paesaggio geografico e formularono l'idea di una rete di trasporto interplanetaria. I trampolini di ingresso e di uscita erano i punti di Lagrange, cinque regioni vicine ai corpi celesti dove la gravità e le forze di rotazione entrano in equilibrio. Esistono in qualsiasi sistema in cui un corpo ruota attorno a un altro e, senza pretesa di originalità, sono numerati da L1 a L5.

Se mettiamo un'astronave nel punto di Lagrange, rimarrà lì indefinitamente perché la gravità non la trascina in una direzione più che in un'altra. Tuttavia, non tutti questi punti sono uguali, in senso figurato. Alcuni di loro sono stabili: se ti sposti leggermente di lato mentre sei all'interno, la gravità ti riporterà al tuo posto, come una palla sul fondo di una valle di montagna. Altri punti di Lagrange sono instabili: se ti muovi un po', inizierai a lasciarti trasportare da lì. Gli oggetti che si trovano qui sono come una palla in cima a una collina: rimarrà lì se è ben posizionata o se viene trattenuta lì, ma anche una leggera brezza è sufficiente perché prenda velocità e rotoli giù.

Colline e valli del paesaggio cosmico

Le astronavi che volano intorno al sistema solare tengono conto di tutte queste “colline” e “valli” durante il volo e durante la fase di pianificazione del percorso. Tuttavia, la rete di trasporti interplanetari li costringe a lavorare a beneficio della società. Come già sai, ogni orbita stabile ha cinque punti Lagrange. Questo è il sistema Terra-Luna, il sistema Sole-Terra e i sistemi di tutti i satelliti di Saturno con Saturno stesso... Puoi continuare tu stesso, dopotutto, nel sistema Solare molte cose ruotano attorno a qualcosa.

I punti di Lagrange sono ovunque, anche se cambiano costantemente la loro posizione specifica nello spazio. Seguono sempre l'orbita dell'oggetto più piccolo nel sistema di rotazione, e questo crea un paesaggio in continua evoluzione di colline e valli gravitazionali. In altre parole, la distribuzione delle forze gravitazionali nel sistema solare cambia nel tempo. A volte l'attrazione in determinate coordinate spaziali è diretta verso il Sole, in un altro punto nel tempo - verso qualche pianeta, e succede anche che il punto di Lagrange li attraversi, e in questo luogo regna l'equilibrio quando nessuno trascina nessuno da nessuna parte.

La metafora delle colline e delle valli ci aiuta a visualizzare meglio questa idea astratta, quindi la useremo ancora qualche volta. A volte nello spazio accade che una collina passi accanto a un'altra collina o a un'altra valle. Potrebbero anche sovrapporsi l'uno all'altro. E proprio in questo momento, i viaggi nello spazio diventano particolarmente efficaci. Ad esempio, se la tua collina gravitazionale si sovrappone a una valle, puoi "rotolarvi" dentro. Se la tua collina si sovrappone a un'altra collina, puoi saltare da un picco all'altro.

Come utilizzare la rete di trasporto interplanetaria?

Quando i punti di Lagrange di orbite diverse si avvicinano l'uno all'altro, non occorre quasi nessuno sforzo per spostarsi dall'uno all'altro. Ciò significa che se non hai fretta e sei pronto ad aspettare il loro avvicinamento, puoi saltare da un'orbita all'altra, ad esempio, lungo la rotta Terra-Marte-Giove e oltre, quasi senza sprecare carburante. È facile capire che questa è l'idea utilizzata dalla Rete di Trasporto Interplanetario. La rete di punti Lagrange in costante cambiamento è come una strada tortuosa, che consente di spostarsi tra le orbite con un consumo minimo di carburante.

Nella comunità scientifica questi movimenti punto-punto sono chiamati traiettorie di transizione a basso costo e sono già stati utilizzati più volte nella pratica. Una delle più esempi famosiè un tentativo disperato ma riuscito di salvare la stazione lunare giapponese nel 1991, quando la navicella spaziale aveva troppo poco carburante per completare la sua missione nel modo tradizionale. Sfortunatamente, non possiamo usare questa tecnica su base regolare, poiché ci si può aspettare un allineamento favorevole dei punti di Lagrange per decenni, secoli e anche di più.

Ma se il tempo non ha fretta, possiamo tranquillamente permetterci di inviare una sonda nello spazio, che attenderà con calma le combinazioni necessarie e per il resto del tempo raccoglierà informazioni. Dopo aver aspettato, salterà su un'altra orbita ed effettuerà le osservazioni mentre si trova già in essa. Questa sonda sarà in grado di viaggiare attraverso il sistema solare per un periodo di tempo illimitato, registrando tutto ciò che accade nelle sue vicinanze e arricchendo la conoscenza scientifica della civiltà umana. È chiaro che questo sarà fondamentalmente diverso dal modo in cui esploriamo lo spazio oggi, ma questo metodo sembra promettente, anche per le future missioni a lungo termine.

> Punti di Lagrange

Come sono e dove cercare Punti di Lagrange nello spazio: storia della scoperta, sistema Terra e Luna, 5 punti L di un sistema di due corpi massicci, influenza della gravità.

Siamo onesti: siamo bloccati sulla Terra. Dovremmo ringraziare la gravità per il fatto che non siamo stati gettati nello spazio e possiamo camminare sulla superficie. Ma per liberarsi, devi applicare un'enorme quantità di energia.

Tuttavia, ci sono alcune regioni dell’Universo in cui un sistema intelligente ha bilanciato l’influenza gravitazionale. Con il giusto approccio, questo può essere utilizzato per sviluppare lo spazio in modo più produttivo e rapido.

Questi luoghi sono chiamati Punti di Lagrange(punti L). Prendono il nome da Joseph Louis Lagrange, che li descrisse nel 1772. In effetti, riuscì ad estendere la matematica di Leonhard Euler. Lo scienziato fu il primo a scoprire tre di questi punti e Lagrange annunciò i due successivi.

Punti di Lagrange: di cosa stiamo parlando?

Quando si hanno due oggetti massicci (ad esempio, il Sole e la Terra), il loro contatto gravitazionale è notevolmente bilanciato in 5 aree specifiche. In ognuno di essi è possibile posizionare un satellite che verrà mantenuto in posizione con il minimo sforzo.

Il più notevole è il primo punto di Lagrange L1, in equilibrio tra l'attrazione gravitazionale di due oggetti. Ad esempio, puoi installare un satellite sulla superficie della Luna. La gravità della terra la spinge verso la Luna, ma resiste anche la forza del satellite. Quindi il dispositivo non dovrà sprecare molto carburante. È importante capire che questo punto si trova tra tutti gli oggetti.

L2 è in linea con la massa, ma dall'altra parte. Perché la gravità combinata non attira il satellite verso la Terra? È tutta una questione di traiettorie orbitali. Il satellite nel punto L2 si troverà in un'orbita più alta e resterà indietro rispetto alla Terra, poiché si muove attorno alla stella più lentamente. Ma la gravità terrestre lo spinge e aiuta ad ancorarlo al suo posto.

Devi cercare L3 sul lato opposto del sistema. La gravità tra gli oggetti si stabilizza e il dispositivo si manovra con facilità. Un satellite del genere sarebbe sempre oscurato dal Sole. Vale la pena notare che i tre punti descritti non sono considerati stabili, quindi qualsiasi satellite prima o poi devierà. Quindi non c'è niente da fare lì senza motori funzionanti.

Ci sono anche L4 e L5 situati davanti e dietro l'oggetto inferiore. Tra le masse si crea un triangolo equilatero, uno dei lati del quale sarà L4. Se lo capovolgi, ottieni L5.

Gli ultimi due punti sono considerati stabili. Ciò è confermato dagli asteroidi trovati su grandi pianeti come Giove. Questi sono Troiani catturati in una trappola gravitazionale tra la gravità del Sole e quella di Giove.

Come utilizzare tali luoghi? È importante capire che esistono molti tipi di esplorazione spaziale. Ad esempio, i satelliti si trovano già nei punti Terra-Sole e Terra-Luna.

Sun-Earth L1 è il luogo ideale per ospitare un telescopio solare. Il dispositivo si è avvicinato il più possibile alla stella, ma non ha perso il contatto con il suo pianeta natale.

Si prevede di posizionare il futuro telescopio James Webb nel punto L2 (a 1,5 milioni di km da noi).

Terra-Luna L1 è un ottimo punto per una stazione di rifornimento lunare, che consente di risparmiare sulla consegna del carburante.

L’idea più fantastica sarebbe quella di collocare la stazione spaziale Ostrov III in L4 e L5, perché lì sarebbe assolutamente stabile.

Ringraziamo ancora la gravità e la sua strana interazione con gli altri oggetti. Dopotutto, questo ti consente di espandere i modi di esplorare lo spazio.