作者:文/虞子期
關於宇宙探索的諸多信息,很多人的關注點通常都集中在被探索的目標,或執行該任務的航天器上,但對於航天器的停放點,於我們一般人而言就沒有這麼引人注目了。比如,太空中的拉格朗日點,這個特殊的名字是為了紀念數學家約瑟夫 - 路易斯拉格朗日,好比太空“停車位”一般的存在。在它的五個特殊點中,小質量可以以恆定模式運行,兩個較大的質量的引力,正好等於一個小的物體與他們移動所需要的向心力。
航天器使用拉格朗日點有何益處
拉格朗日點是空間中的位置,其中兩個大體的組合重力,等於小得多的第三體所感受到的離心力。比如:地球和太陽,地球和月亮。航天器之所以能夠“停放”進行觀測,是因為通過力的相互作用創造了一個平衡點。噴氣推進實驗室的Amy Mainzer是NEOWISE的首席調查員,他表示,在2016年WISE任務結束的當前三年中,雖然航天器搜尋近地小行星表現良好,但如果航天器使用靠近地球的拉格朗日點,那麼太空船能夠做得會更多。
由於傳統的Ka波段無線電通信速度非常快,同時L1和L2也允許擁有“巨大的帶寬”,處於日心軌道(圍繞太陽軌道)的太空船最終會遠離地球漂移,反之,數據速率則會變得非常緩慢。來自小行星的微小紅外信號,會讓位於拉格朗日點的狩獵航天器特別敏感,遠離太陽的干擾熱和光。它可以指向各種各樣的方向,不僅是非常靠近太陽外,而且它也不需要冷卻劑保持冷卻。比如,在2009年和2011年之間,WISE任務的第一階段,該位置本身就允許自然冷卻,詹姆斯韋伯太空望遠鏡便是利用L2點的熱環境來幫助保持涼爽。
理解拉格朗日點最簡單的方法
在五個拉格朗日點中,兩個是穩定的,三個是不穩定的。穩定的拉格朗日點,標記為L4和L5,形成兩個等邊三角形的頂點,而這些三角形的頂點,都具有較大的質量。L4引導地球的軌道,L5跟隨;不穩定的拉格朗日點,則標記為L1,L2和L3,位於連接兩個大質量的線上。其實,理解拉格朗日點的最簡單方法,就是採用隨系統旋轉的參照系。在該框架中,施加在靜止身體上的力,可以從有效勢中獲得。其方式與從天氣圖推斷出風速的方式非常相似,當輪廓相距很遠時,力最弱;而當有效勢的輪廓最接近時,力最強。
在下圖的等高線圖中,我們看到L4和L5對應于山頂,L1,L2和L3對應於鞍座(即,電位在一個方向上彎曲,而在另一個方向上向下彎曲的點)。這表明放置在拉格朗日點的衛星,將有一種徘徊的傾向。但是,當停在L4或L5的衛星開始從山上滾下來時,它會加快速度。在這一點上,科里奧利力發揮作用,以同樣的力量導致颶風在地球上旋轉 ,並將衛星送入拉格朗日點周圍的穩定軌道。
五個拉格朗日點分別有什麼特點
主要物體周圍,有五個拉格朗日點,如行星或恆星。其中三個位於連接兩個大體的線上。在距離地球約100萬英里的地球和太陽之間,就是第一個點L1的位置,它提供了一個不間斷的太陽視圖,目前是太陽和日光層天文臺衛星SOHO與深空氣候觀測站的所在地。而L2和地球之間的距離大概是一百萬英里,並且與太陽的方向相反。此時,地球、月球和太陽背後,航天器可以清晰地看到深空。因為航天器能足夠接近,以便與地球進行通信,所以,L2也是天文學的理想選擇。可以將太陽,地球和月球保持在航天器後面以獲得太陽能,並通過適當的屏蔽為望遠鏡提供清晰的深空視野。在大約23天的時間尺度上,L1和L2點是不穩定的,這需要圍繞這些位置的衛星,經歷正常的路線和姿態校正。
位於太陽背後的第三個拉格朗日點L3,剛好與地球軌道相對。就目前而言,科學家尚未找到這個地方的用途。如果L3上的宇宙飛船朝向或遠離地球漂移,那麼,它將不可逆轉地朝向太陽或地球,航天器必須進行微調才能保持其軌道,就像在陡峭的山坡上幾乎沒有平衡的推車。但只要兩個大質量之間的質量比超過24.96,L4和L5點就是穩定軌道的原點。這些點沿地球軌道,位於地球前後60度處,形成兩個等邊三角形的頂點,而這些三角形都具有較大的質量,例如地球和太陽,作為它們的頂點。由於這些點的穩定性,灰塵和小行星傾向於在這些區域積聚。
蓋亞宇宙飛船在拉格朗日點2的新發現
歐洲航天局(ESA)蓋亞宇宙飛船,和地球相聚近一百萬英里,正凝視著超過十億顆恆星的它,除了繪製這些恆星位置,還發現了新的小行星。當視角移動到正面看著這些小行星的軌道時,我們可以看到粉紅色的軌道相對於光盤而言,處於一個明顯的角度。早在2018年12月,蓋亞宇宙飛船就發現了其中三顆有特徵的小行星,它們暫時指定為2018年YK4、2018年YL4和2018年YM4,而後,又於2019年2月,發現了第四個名為2019年CZ10的小行星。最終,地面觀測站也確認了這四個發現。
在下圖中顯示的軌道,超過了14000個已知小行星,黃色的部分是表示蓋亞已經看到的小行星。而太空船最近發現的三顆小行星,則以灰色突出顯示。粉紅色的軌道所標誌的是四個蓋亞發現的物體,它們屬於火星和木星軌道之間發現的小行星的“主帶”。歐空局的表示,正是因為蓋亞宇宙飛船位於拉格朗日點2(L2)的重力穩定點,這裡和地球相聚約930000英里(150萬公里),這四個太空岩石相對於太陽系平面傾斜15度或更大,所以,這個位置為航天器提供了一個很好的有利位置。在將來,也可以找到更多這樣的物體,並幫助描繪它們的運動特徵。不僅可以提高人們對遠近空間岩石的認知,還可以給與人類如何保護地球,以免受巨大沖擊的重要信息。