Введение
В небесной механике точки Лагранжа (/l//ə/'/ɡ//r//ɑː//n//dʒ/; также точки Лагранжа или точки либрации) — это точки равновесия для объектов малой массы под гравитационным влиянием двух массивных обращающихся тел. Математически это связано с решением задачи трех тел с ограничениями. Это делает точки Лагранжа отличным местом для размещения спутников, поскольку коррекция орбиты и, следовательно, потребность в топливе для поддержания желаемой орбиты, сводятся к минимуму. Для любой комбинации двух обращающихся тел существует пять точек Лагранжа, от L1 до L5, все они лежат в орбитальной плоскости двух крупных тел. Существует пять точек Лагранжа для системы Солнце–Земля и пять различных точек Лагранжа для системы Земля–Луна. Точки L1, L2 и L3 расположены на линии, проходящей через центры двух крупных тел, в то время как L4 и L5 образуют третью вершину равностороннего треугольника, образованного центрами этих тел. Когда соотношение масс двух тел достаточно велико, точки L4 и L5 становятся стабильными, то есть объекты могут вращаться вокруг них, и они имеют тенденцию притягивать объекты к себе. У нескольких планет есть троянские астероиды вблизи их точек L4 и L5 относительно Солнца; у Юпитера их более миллиона. Некоторые точки Лагранжа используются для космических исследований. Две важные точки Лагранжа в системе Солнце–Земля — это L1, расположенная между Солнцем и Землей, и L2, находящаяся на той же линии, но с противоположной стороны Земли; обе находятся далеко за пределами орбиты Луны. В настоящее время в точке L1 расположен искусственный спутник под названием Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) для изучения солнечного ветра, направленного к Земле от Солнца, и мониторинга климата Земли путем получения и передачи изображений. Космический телескоп Джеймса Уэбба, мощная инфракрасная космическая обсерватория, расположен в точке L2. Это позволяет большому солнечному щиту спутника защищать телескоп от света и тепла Солнца, Земли и Луны. Точки Лагранжа L1 и L2 находятся примерно в от Земли. Более ранний телескоп Gaia, разработанный Европейским космическим агентством, и недавно запущенный Euclid также находятся на орбитах вокруг L2. Gaia поддерживает более плотную орбиту Лиссажу вокруг L2, в то время как Euclid следует по гало-орбите, аналогичной JWST. Каждая из космических обсерваторий выигрывает от того, что находится достаточно далеко от тени Земли для использования солнечных панелей в качестве источника энергии, от незначительной потребности в энергии или топливе для поддержания положения, от отсутствия воздействия магнитосферных эффектов Земли и от прямой видимости Земли для передачи данных.
the video game
In celestial mechanics, the Lagrange points (/l//ə/'/ɡ//r//ɑː//n//dʒ/; also Lagrangian points or libration points) are points of equilibrium for small mass objects under the gravitational influence of two massive orbiting bodies. Mathematically, this involves the solution of the restricted three body problem. This can make Lagrange points an excellent location for satellites, as orbit corrections, and hence fuel requirements, needed to maintain the desired orbit are kept at a minimum. For any combination of two orbital bodies, there are five Lagrange points, L1 to L5, all in the orbital plane of the two large bodies. There are five Lagrange points for the Sun–Earth system, and five different Lagrange points for the Earth–Moon system. L1, L2, and L3 are on the line through the centers of the two large bodies, while L4 and L5 each act as the third vertex of an equilateral triangle formed with the centers of the two large bodies. When the mass ratio of the two bodies is large enough, the L4 and L5 points are stable points meaning that objects can orbit them, and that they have a tendency to pull objects into them. Several planets have trojan asteroids near their L4 and L5 points with respect to the Sun; Jupiter has more than one million of these trojans. Some Lagrange points are being used for space exploration. Two important Lagrange points in the Sun Earth system are L1, between the Sun and Earth, and L2, on the same line at the opposite side of the Earth; both are well outside the Moon's orbit. Currently, an artificial satellite called the Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) is located at L1 to study solar wind coming toward Earth from the Sun and to monitor Earth's climate, by taking images and sending them back. The James Webb Space Telescope, a powerful infrared space observatory, is located at L2. This allows the satellite's large sunshield to protect the telescope from the light and heat of the Sun, Earth and Moon. The L1 and L2 Lagrange points are located about from earth. The European Space Agency's earlier Gaia telescope, and its newly launched Euclid, also occupy orbits around L2. Gaia keeps a tighter Lissajous orbit around L2, while Euclid follows a halo orbit similar to JWST. Each of the space observatories benefit from being far enough from Earth's shadow to utilize solar panels for power, from not needing much power or propellant for station keeping, from not being subjected to the Earth's magnetospheric effects, and from having direct line of sight to Earth for data transfer.
История
Три коллинеарных точки Лагранжа (L1, L2, L3) были открыты швейцарским математиком Леонардом Эйлером примерно в 1750 году, за десятилетие до того, как уроженец Италии Джозеф Луи Лагранж открыл оставшиеся две. В 1772 году Лагранж опубликовал "Эссе о задаче трех тел". В первой главе он рассмотрел общую задачу трех тел. Исходя из этого, во второй главе он показал два особых решения в виде устойчивых конфигураций – коллинеарную и равностороннюю – для любых трех масс, движущихся по круговым орбитам.
точка
Точка лежит на линии, определяемой двумя крупными массами M1 и M2. Это точка, в которой гравитационное притяжение M2 и M1 складываются, чтобы создать равновесие. Объект, вращающийся вокруг Солнца ближе Земли, обычно имеет более короткий орбитальный период, чем у Земли, но это не учитывает влияние гравитации Земли. Если объект находится непосредственно между Землей и Солнцем, то гравитация Земли ослабляет притяжение Солнца к объекту, увеличивая его орбитальный период. Чем ближе объект к Земле, тем сильнее этот эффект. В этой точке орбитальный период объекта становится точно равным орбитальному периоду Земли. Она находится примерно в 1,5 миллионах километров, или 0,01 а.е., от Земли в направлении Солнца.
точка
Точка лежит на линии, проходящей через две большие массы, за меньшей из них. В этой точке объединенные гравитационные силы двух больших масс уравновешивают центробежную силу, действующую на тело. На противоположной от Солнца стороне Земли орбитальный период объекта обычно был бы больше, чем у Земли. Однако дополнительное притяжение гравитации Земли уменьшает орбитальный период объекта, и в этой точке он становится равным земному. Как и L1, L2 находится примерно в 1,5 миллиона километров или 0,01 а.е. от Земли (в направлении от Солнца). Космический телескоп Джеймса Уэбба – пример аппарата, разработанного для работы в окрестностях точки Лагранжа L2 системы Земля-Солнце. Более ранними примерами являются зонд Уилкинсона микроволнового анизотропии и его преемник, "Планк".
точка
Точка лежит на линии, определяемой двумя большими массами, за пределами большей из них. В системе Солнце-Земля эта точка находится на противоположной стороне Солнца, немного за пределами орбиты Земли и немного дальше от центра Солнца, чем Земля. Такое расположение обусловлено тем, что на Солнце также воздействует гравитация Земли, поэтому оно вращается вокруг барицентра двух тел, который находится внутри тела Солнца. Объект на расстоянии Земли от Солнца имел бы орбитальный период в один год, если бы учитывалась только гравитация Солнца. Однако объект, находящийся на противоположной от Земли стороне Солнца и расположенный на одной прямой с обоими телами, ощущает гравитацию Земли, которая незначительно добавляется к гравитации Солнца, и поэтому должен вращаться немного дальше от барицентра Земли и Солнца, чтобы иметь тот же годичный период. Именно в этой точке комбинированное притяжение Земли и Солнца заставляет объект вращаться с тем же периодом, что и Земля, то есть фактически вращаться вокруг системы Земля+Солнце, с барицентром Земли-Солнца в одном из фокусов его орбиты.
и пунктов
Точки и лежат на третьих вершинах двух равносторонних треугольников в плоскости орбиты, основанием которых является отрезок, соединяющий центры двух масс, при этом точка находится на 60° впереди или позади меньшей массы относительно её орбиты вокруг большей массы.
Стабильность
Треугольные точки (L1 и L2) являются стабильными точками равновесия при условии, что отношение масс превышает 24,96. Это справедливо для системы Солнце-Земля, системы Солнце-Юпитер и, в меньшей степени, для системы Земля-Луна. Когда тело в этих точках подвергается возмущению, оно отклоняется от точки равновесия, но величина, противоположная той, что изменилась в результате возмущения (либо гравитация, либо скорость, вызванная изменением углового момента), также изменяется в противоположном направлении, искривляя траекторию объекта в стабильную орбиту, напоминающую фасоль, вокруг этой точки (если смотреть в ковращающейся системе отсчета). Точки L3, L4 и L5 являются точками неустойчивого равновесия. Любой объект, находящийся на орбите вблизи L3, L4 или L5, будет стремиться покинуть эту орбиту; поэтому естественные объекты там встречаются редко, и космическим аппаратам, работающим в этих областях, требуется небольшая, но критически важная коррекция орбиты для поддержания своего положения.
Природные объекты в точках Лагранжа
Из-за естественной стабильности L4 и L5, обычно встречаются природные объекты, вращающиеся вокруг этих точек Лагранжа планетарных систем. Объекты, находящиеся в этих точках, обычно называют «троянцами» или «троянскими астероидами». Название происходит от имён, данных астероидам, обнаруженным на орбите Солнца и Юпитера в точках L4 и L5, которые были взяты из мифологических персонажей, фигурирующих в «Илиаде» Гомера, эпической поэме, действие которой происходит во время Троянской войны. Астероиды в точке L4, находящейся впереди Юпитера, названы в честь греческих героев «Илиады» и называются «греческим лагерем». Те, что находятся в точке L5, названы в честь троянских героев и называются «троянским лагерем». Оба лагеря считаются типами троянских тел. Поскольку Солнце и Юпитер — два самых массивных объекта в Солнечной системе, известно больше троянцев Солнце-Юпитер, чем для любой другой пары тел. Однако меньшее количество объектов известно в точках Лагранжа других орбитальных систем: точки L4 и L5 системы Солнце-Земля содержат межпланетную пыль и по крайней мере два астероида — 2010 TK и 2020 XL. Точки L4 и L5 системы Земля-Луна содержат скопления межпланетной пыли, известные как облака Кордилевского. Стабильность в этих конкретных точках сильно осложняется гравитационным влиянием Солнца. Точки L4 и L5 системы Солнце-Нептун содержат несколько десятков известных объектов, нептунианских троянцев. У Марса есть четыре подтверждённых марсианских троянца: 5261 Eureka, 1999 UJ, 1998 VF и 2007 NS. У спутника Сатурна Тефии есть два меньших спутника Сатурна в её точках L4 и L5 — Телесто и Калипсо. Другой спутник Сатурна, Диона, также имеет два лагранжевых со-орбитальных тела: Гелена в точке L4 и Полидевк в точке L5. Луны совершают азимутальные колебания вокруг точек Лагранжа, при этом Полидевк демонстрирует наибольшие отклонения, удаляясь до 32° от точки L5 системы Сатурн-Диона. Одна из версий гипотезы гигантского столкновения предполагает, что объект по имени Тея сформировался в точке L4 или L5 системы Солнце-Земля и столкнулся с Землёй после дестабилизации своей орбиты, образовав Луну. В двойных звёздах вершина доли Роша находится в точке L1; если одна из звёзд расширяется за пределы своей доли Роша, она теряет вещество в пользу своей звезды-компаньона, что называется переполнением доли Роша. Объекты, находящиеся на подковообразных орбитах, иногда ошибочно описываются как троянцы, но не занимают точки Лагранжа. Известные объекты на подковообразных орбитах включают 3753 Круитне (в отношении Земли) и спутники Сатурна Эпиметей и Янус.
The Sun–Earth and points contain interplanetary dust and at least two asteroids, 2010 TK and 2020 XL. The Earth–Moon and points contain concentrations of interplanetary dust, known as Kordylewski clouds. Stability at these specific points is greatly complicated by solar gravitational influence. The Sun–Neptune and points contain several dozen known objects, the Neptune trojans. Mars has four accepted Mars trojans: 5261 Eureka, 1999 UJ, 1998 VF, and 2007 NS. Saturn's moon Tethys has two smaller moons of Saturn in its and points, Telesto and Calypso. Another Saturn moon, Dione also has two Lagrange co orbitals, Helene at its point and Polydeuces at The moons wander azimuthally about the Lagrange points, with Polydeuces describing the largest deviations, moving up to 32° away from the Saturn–Dione point. One version of the giant impact hypothesis postulates that an object named Theia formed at the Sun–Earth or point and crashed into Earth after its orbit destabilized, forming the Moon. In binary stars, the Roche lobe has its apex located at ; if one of the stars expands past its Roche lobe, then it will lose matter to its companion star, known as Roche lobe overflow. Objects which are on horseshoe orbits are sometimes erroneously described as trojans, but do not occupy Lagrange points. Known objects on horseshoe orbits include 3753 Cruithne with Earth, and Saturn's moons Epimetheus and Janus.
Физические и математические детали
Точки Лагранжа — это стационарные решения частного случая задачи трёх тел. Например, для двух массивных тел, вращающихся вокруг общего барицентра, существует пять точек в пространстве, в которых можно разместить третье тело пренебрежимо малой массы, чтобы оно сохраняло своё положение относительно этих двух массивных тел. Это происходит потому, что комбинированные гравитационные силы двух массивных тел обеспечивают точную центростремительную силу, необходимую для поддержания кругового движения, соответствующего их орбитальному движению. Альтернативно, если рассматривать ситуацию во вращающейся системе отсчёта, угловая скорость которой совпадает с угловой скоростью двух тел, вращающихся вместе, то в точках Лагранжа комбинированные гравитационные поля двух массивных тел уравновешивают центробежную силу инерции, позволяя третьему, меньшему телу оставаться неподвижным (в этой системе отсчёта) относительно первых двух.
и
Причина, по которой эти точки находятся в равновесии, заключается в том, что в точках и расстояния до двух масс равны. Соответственно, гравитационные силы от двух массивных тел находятся в том же соотношении, что и массы этих тел, и поэтому результирующая сила действует через барицентр системы. Кроме того, геометрия треугольника обеспечивает, чтобы результирующее ускорение находилось на расстоянии от барицентра в том же соотношении, что и для двух массивных тел. Поскольку барицентр является одновременно центром масс и центром вращения системы из трех тел, эта результирующая сила является точно той, которая необходима для удержания меньшего тела в точке Лагранжа в орбитальном равновесии с двумя другими, более массивными телами системы (действительно, масса третьего тела должна быть пренебрежимо мала). Общую треугольную конфигурацию обнаружил Лагранж при работе над задачей трех тел.
Стабильность
Хотя точки L1, L2 и L3 номинально нестабильны, вокруг этих точек в системе трех тел существуют квазистабильные периодические орбиты, называемые гало-орбитами. Полная n-телесная динамическая система, такая как Солнечная система, не содержит этих периодических орбит, но содержит квазипериодические (т.е. ограниченные, но не точно повторяющиеся) орбиты, следующие траекториям кривых Лиссажу. Эти квазипериодические орбиты Лиссажу используются большинством космических миссий к точкам Лагранжа до сих пор. Хотя они не являются совершенно стабильными, умеренных усилий по поддержанию станции достаточно, чтобы космический аппарат надолго оставался на желаемой орбите Лиссажу. Для миссий Солнце-Земля предпочтительнее, чтобы космический аппарат находился на орбите Лиссажу большой амплитуды вокруг L2, чем оставался в точке L1, поскольку линия между Солнцем и Землей создает повышенные солнечные помехи для связи Земля-космический аппарат. Аналогично, орбита Лиссажу большой амплитуды вокруг L1 удерживает зонд вне тени Земли и, следовательно, обеспечивает непрерывное освещение его солнечных панелей. Точки L4 и L5 стабильны при условии, что масса основного тела (например, Земли) составляет не менее 25 масс вторичного тела. Земля более чем в 81 раз массивнее Луны (Луна составляет 1,23% массы Земли). Хотя точки L4 и L5 находятся на вершине "холма", как показано на графике эффективного потенциала выше, они тем не менее стабильны. Причина стабильности – эффект второго порядка: по мере удаления тела от точного положения Лагранжа возникает ускорение Кориолиса (которое зависит от скорости вращающегося объекта и не может быть смоделировано в виде контурной карты). Поскольку источником стабильности является сила Кориолиса, получающиеся орбиты могут быть стабильными, но, как правило, не плоские, а "трехмерные": они лежат на искривленной поверхности, пересекающей плоскость эклиптики. Орбиты в форме почек, обычно изображаемые вложенными вокруг L4 и L5, являются проекциями орбит на плоскость (например, эклиптику), а не полными трехмерными орбитами.
Значения Солнечной системы
В данной таблице перечислены примерные значения L1, L2 и L3 в Солнечной системе. Расчеты предполагают, что два тела вращаются по идеальной круговой орбите на расстоянии, равном большой полуоси, и вблизи нет других тел. Расстояния измеряются от центра масс более массивного тела (но см. барицентр, особенно в случае Луны и Юпитера), при этом L3 имеет отрицательное направление. Столбцы с процентами показывают расстояние от орбиты в сравнении с большой полуосью. Например, для Луны, L1 находится на расстоянии 326400 от центра Земли, что составляет 84,9% расстояния Земля-Луна или 15,1% "впереди" (в направлении от Луны к Земле); L2 находится на расстоянии 448900 от центра Земли, что составляет 116,8% расстояния Земля-Луна или 16,8% за пределами Луны; и L3 находится на расстоянии 381700 от центра Земли, что составляет 99,3% расстояния Земля-Луна или 0,7084% внутри (в направлении к Земле) от "отрицательной" позиции Луны. + Лагранжевы точки в Солнечной системе Пара тел Большая полуось, SMA (×109 м) L1 (×109 м) 1 − L1/SMA (%) L2 (×109 м) L2/SMA − 1 (%) L3 (×109 м) 1 + L3/SMA (%) Земля–Луна 0.3844 0.32639 15.09 0.4489 16.78 0.38168 0.7084 Солнце–Меркурий 57.909 57.689 0.3806 58.13 0.3815 57.909 0.000009683 Солнце–Венера 108.21 107.2 0.9315 109.22 0.9373 108.21 0.0001428 Солнце–Земля 149.598 148.11 0.997 151.1 1.004 149.6 0.0001752 Солнце–Марс 227.94 226.86 0.4748 229.03 0.4763 227.94 0.00001882 Солнце–Юпитер 778.34 726.45 6.667 832.65 6.978 777.91 0.05563 Солнце–Сатурн 1426.7 1362.5 4.496 1492.8 4.635 1426.4 0.01667 Солнце–Уран 2870.7 2801.1 2.421 2941.3 2.461 2870.6 0.002546 Солнце–Нептун 4498.4 4383.4 2.557 4615.4 2.602 4498.3 0.003004
Солнце - Земля
Точка Солнце–Земля подходит для наблюдений за системой Солнце–Земля. Объекты в этой точке никогда не оказываются в тени Земли или Луны, и при наблюдении Земли всегда видна освещенная Солнцем сторона. Первой миссией такого типа была миссия International Sun Earth Explorer 3 (ISEE 3) 1978 года, использовавшаяся в качестве межпланетного монитора для раннего предупреждения о солнечных возмущениях. С июня 2015 года DSCOVR находится на орбите точки L1. Кроме того, она полезна для космических солнечных телескопов, поскольку обеспечивает непрерывный обзор Солнца, а любые явления космической погоды (включая солнечный ветер и корональные выбросы массы) достигают L1 примерно за час до Земли. К текущим солнечным и гелиосферным миссиям, расположенным вблизи L1, относятся Солнечная и гелиосферная обсерватория, Wind, Aditya L1 Mission и Advanced Composition Explorer. Запланированные миссии включают межзвездный зонд для картографирования и ускорения IMAP и NEO Surveyor. Точка Солнце–Земля – хорошее место для размещения космических обсерваторий. Поскольку объект вблизи этой точки сохраняет одно и то же относительное положение по отношению к Солнцу и Земле, экранирование и калибровка значительно упрощаются. Однако она находится немного за пределами досягаемости земной тени, поэтому солнечное излучение на L2 не блокируется полностью. Космические аппараты обычно вращаются вокруг L2, избегая частичных затмений Солнца для поддержания постоянной температуры. С позиций вблизи L2 Солнце, Земля и Луна относительно близко расположены друг к другу на небе; это означает, что большой солнцезащитный экран с телескопом на темной стороне может позволить телескопу пассивно охлаждаться до примерно 50 К – это особенно полезно для инфракрасной астрономии и наблюдений космического микроволнового фона. Космический телескоп Джеймса Уэбба был размещен на гало-орбите вокруг L2 24 января 2022 года. Точки Солнце–Земля являются седловыми точками и экспоненциально нестабильны, с временной константой примерно 23 дня. Спутники в этих точках отклонятся через несколько месяцев, если не будут произведены корректировки курса.
Земля-Луна
Земля-Луна обеспечивает сравнительно легкий доступ к лунным и земным орбитам с минимальным изменением скорости, что является преимуществом при размещении обитаемой космической станции, предназначенной для помощи в транспортировке грузов и персонала на Луну и обратно. Миссия SMART 1 прошла через лагранжевую точку L1 11 ноября 2004 года и вошла в область, где доминирует гравитационное влияние Луны. Система Земля-Луна использовалась для коммуникационных спутников, обеспечивающих покрытие обратной стороны Луны, например, Queqiao, запущенного в 2018 году, и была бы "идеальным местом" для базы хранения топлива в рамках предлагаемой архитектуры космической транспортировки, основанной на базах. Облака пыли Кордилевского расположены в точках L4 и L5 системы Земля-Луна. Название Общества L5 происходит от лагранжевых точек L4 и L5 в системе Земля-Луна, предложенных в качестве мест для их огромных вращающихся космических поселений. Обе эти позиции также предлагаются для коммуникационных спутников, обеспечивающих покрытие Луны, подобно тому, как спутники связи на геосинхронной орбите покрывают Землю.
Солнце - Венера
Ученые из Фонда B612 планировали разместить свой планируемый телескоп Sentinel в точке L3 Венеры, чтобы он мог наблюдать в направлении орбиты Земли и составлять каталог околоземных астероидов.
Солнце - Марс
В 2017 году на конференции НАСА обсуждалась идея размещения магнитного дипольного щита в точке Лагранжа Солнце-Марс для использования в качестве искусственной магнитосферы Марса. Предполагается, что это защитит атмосферу планеты от солнечной радиации и солнечного ветра.