Что такое точки Лагранжа? [Fraser Cain]
Вот сайт с шаурмой. [музыка] Так уж вышло, что мы земля не сидим на дне огромного гравитационного колодца, и это обидно. Чтобы выбраться из него, нужно столько энергии, что даже капитан Рейнольдс вышел бы из себя. Но как ни удивительно, гравитация не только забирает, она еще и отдает.
Что я имею ввиду? В солнечной системе есть особые места, где силы притяжения уравновешивают друг друга, и какая-нибудь амбициозная цивилизация вполне могла бы использовать их как плацдарм для исследования космоса. Эти места называют точками Лагранжа, точками либрации или просто L-точками. Они названы так в честь математика Джозефа Лагранжа. В 1772 году он описал два решения задачи трех тел.
По сути, он продолжил исследования Леонарда Эйлера, хотя все пять точек названы в честь Лагранжа. Первые три рассчитал именно Эйлер, и только затем Лагранж обнаружил еще 2. Но что это за точки? Когда мы рассматриваем гравитационное взаимодействие двух массивных объектов (Земли и Солнца, Земли и Луны, Звезды Смерти и Альдераана), нет, это не подходит.
В общем, вокруг этих двух массивных объектов есть пять точек, где гравитационные силы идеально уравновешены. В этих точках можно расположить легкий искусственный спутник, и удерживать его в этом положении будет совсем несложно. Например, там может находиться телескоп или космическая станция, и чтобы удерживать ее в одной точке, не нужно почти никакой энергии.
Самая известная — Лагранжа L1. Эта точка равновесия между силами притяжения двух объектов. Например, можно расположить спутник чуть выше поверхности Луны. Земная гравитация будет притягивать его к земле, но лунное притяжение нейтрализует ее, и спутнику не понадобится много топлива для сохранения позиции.
L1 есть между Землей и Луной, еще одна — между Землей и Солнцем, и еще одна — между Солнцем и Юпитером. Такие точки есть повсюду. R2 находится на одной линии с небесными телами за телом с меньшей массой, то есть Солнце-Земля.
L2, возможно, вы спросите, почему совместная гравитация двух объектов просто не роняет несчастный спутник на Землю? Тут важно учесть орбиты планет. Вот здесь Солнце, а Земля вращается вокруг него. Спутник в точке R2 находится на более далекой орбите и, по идее, должен отставать от Земли, так как его скорость обращения вокруг Солнца меньше.
Однако гравитация Земли тянет его за собой, удерживая в стабильном положении. И выиграйте в Kaïr был Space Program, в модах это показано достаточно наглядно. А вот No Man's Sky тут вам не поможет, разве что узнаете, насколько капризным бывает гипердвигатель и как мало места в инвентаре.
L3 находится в противоположной стороне от точки R2, но и здесь гравитационные силы двух объектов уравновешены, так что спутник в точке R3 будет всегда находиться точно за Солнцем. Знаю, знаю, у вас сейчас много вопросов, но потерпите немного, разберемся. Есть еще две точки — R4 и R5, они лежат на одной орбите с объектом меньшей массы впереди и позади него.
Постройте равносторонний треугольник с двумя вершинами в точках двух массивных тел. Третьей точкой будет L4. Переверните треугольник и получите L5. Тут важно отметить, что в первых трех точках Лагранжа равновесие неустойчиво. Любой спутник или небесное тело, находясь в этой точке, рано или поздно начнет смещаться с орбиты.
Поэтому такому объекту нужен двигатель для ее коррекции. Представьте высокую гору с острой вершиной: если поместить на самой верхушке шар для боулинга, ему не нужно будет много энергии, чтобы там оставаться, но ветер рано или поздно сдует его вершины, и шар скатится с горы. Так работают точки L1, L2 и L3, и поэтому в них не бывает естественных космических объектов.
А вот точки L4 и L5 стабильны. Они больше похожи на низину, в которую шар для боулинга будет стремиться попасть. И небесные тела на самом деле туда попадают. Например, в точках R4 и R5 Юпитер и есть астероиды — троянские астероиды, осевшие в этих гравитационных ямах, созданных взаимодействием притяжения Юпитера и Солнца.
И все же, чем нам пригодятся точки Лагранжа в исследовании космоса? У них может быть много применений. Несколько спутников уже работают в разных точках между Землей и Луной, и между Землей и Солнцем.
EL1 система Солнце-Земля отлично подходит для солнечного телескопа. Она ближе к Солнцу, и оттуда легко поддерживать связь с Землей. Телескоп Джеймса Уэбба будет запущен в точку L2 системы Солнце-Земля, что в полутора миллионах километров от Земли. Оттуда Солнце, Земля и Луна вместе будут выглядеть как небольшое пятнышко, а весь простор космоса откроется для наблюдения.
EL1 система Луна-Земля — идеальное место для заправочной станции. Оттуда можно добраться и до Луны, и до Земли, потратив минимум топлива. И пожалуй, самая фантастическая идея — создать гигантскую станцию по типу цилиндра О'Нила в точке L4 или L5. Она будет на стабильной орбите, и до нее будет несложно добраться.
Отличное место, с которого можно начать колонизацию солнечной системы. Так что можно поблагодарить гравитацию за все ее причуды, которые дарят нам возможность заглянуть чуть дальше нашей планеты, а в будущем, возможно, стать полноценной космической цивилизацией.
Переведено и озвучено студией "Вверх", Гайдар.