Sieť Lagrangeových bodov použili experti z NASA ako futurologickú víziu cestovania vesmírom. Otestovali ju aj na reálnej misii.
Pohľad na planéty slnečnej sústavy na svojich obežných dráhach okolo Slnka. Zdroj foto: NASA
Sondám šetria pohonné hmoty a planétam pomáhajú udržiavať pod dozorom kamenné hrozby v podobe asteroidov. Pozoruhodné vlastnosti prvých dvoch libračných bodov využívajú vedci na nerušené pozorovanie Slnka a hlbokého vesmíru.
Najbližšie gravitačné parkoviská
V slnečnej sústave sa najčastejšie pracuje s libračnými bodmi v systémoch Slnko – Jupiter, Slnko – Neptún, Zem – Mesiac alebo Slnko – Zem.
Ak vezmeme do úvahy sústavu Slnko – Zem, body L1, L2 a L3 sa nachádzajú na pomyselnej spojnici týchto dvoch telies. Bod L1 nájdeme medzi centrálnym (Slnkom) a menej hmotným telesom (Zemou), bod L2 je umiestnený za našou planétou a bod L3 zase za Slnkom. Zvyšné dva Lagrangeove body L4 a L5 tvoria vrcholy rovnostranného trojuholníka, pričom jednou zo strán je spojnica medzi Slnkom a Zemou.
„Ak zohľadníme smer otáčania, tak bod L4 je uhlovo 60 stupňov vzdialený pred menej hmotným telesom a bod L5 zase 60 stupňov na opačnej strane za menej hmotným telesom,“ vysvetľuje astrofyzik Patrik Čechvala z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave.
Grafické znázornenie polôh jednotlivých libračných bodov v systéme Slnko – Zem. Zdroj foto: NASA
Už vieme, kde sa tieto body nachádzajú, v akých sústavách ich nájdeme. Ale čím sú také výnimočné, že fascinovali vedcov už pred stáročiami?
V týchto miestach sa vyrovnávajú gravitačné sily hmotných telies a odstredivá sila. Ak sem umiestnime objekt zanedbateľnej hmotnosti, má tendenciu v nej zotrvať. Vďaka tejto vlastnosti ich v populárno-vedeckej literatúre pre lepšiu predstavivosť nazývajú aj gravitačnými parkoviskami.
Patálie s libračnými centrami
Ďalšou zaujímavosťou je, že objekty v libračných bodoch obehnú okolo centrálneho telesa za rovnaký čas ako menej hmotné teleso. Daný fakt platí v prípade všetkých bodov.
Ak sa zameriame na stabilitu objektov v týchto bodoch, zistíme, že prvé tri Lagrangeove centrá sú považované za kvázistabilné. Sondy sa v nich udržia len za predpokladu, že sa budú správať ako povrazolezec. Aj najmenší vzruch môže spôsobiť nebezpečné vychýlenie alebo pád. Vesmírna technika, ktorá sa tu nachádza, musí priebežne vykonávať korekcie dráhy tým, že na malý okamih zapne motory. Tieto body majú pozoruhodnú samočistiacu schopnosť. Bez potrebných korekcií z nich objekty postupne odchádzajú.
Iná situácia platí v bodoch L4 a L5. Sú stabilné a objekty majú, naopak, tendenciu byť do nich priťahované. V sústave Slnko – Jupiter napríklad nachádzame v týchto oblastiach veľké množstvo asteroidov. Niektoré štúdie dokonca naznačujú, že objekty sa medzi centrami L4 a L5 môžu aj vzájomne preskupovať.
Slnko ako na dlani
Vzdialenosti jednotlivých libračných centier sú špecifické pre konkrétnu sústavu. Ak sa pozeráme na systém Slnko – Zem, body L1 a L2 sú vzdialené približne 1,5 milióna kilometrov od Zeme. Tvoria vhodné a najmä dostupné vyhliadkové zóny na pozorovanie vesmíru.
Do Lagrangeovho bodu L1 dorazila 6. januára indická sonda Aditya L1. Svoj cieľ dosiahla po takmer štvormesačnom lete vesmírom. Toto libračné centrum má výhodnú polohu na pozorovanie Slnka, jeho koróny a ďalších povrchových javov. Výhodou uvedenej lokality je ďalej i to, že nepretržitý prúd častíc, takzvaný slnečný vietor, sem dorazí približne hodinu predtým, než zasiahne Zem.
Úplne prvou sondou, ktorá bola umiestnená v bode L1, sa stala americká ISEE-3 (International Sun-Earth Explorer-3). Zo Zeme odštartovala v roku 1978.
Takmer dve desaťročia pozoruje v tejto oblasti vesmírne počasie, slnečnú korónu aj podpovrchové javy na Slnku observatórium SOHO. Nie je umiestnené priamo v bode L1, pretože by dochádzalo k rušeniu rádiového spojenia so Zemou. Obehne ho po eliptickej dráhe raz za pol roka.
Webbova adresa trvalého pobytu
Na pozorovanie hlbokého vesmíru bez rušenia Slnka aj zemského tieňa slúži astronómom libračný bod L2. V roku 2001 sa k nemu ako prvá dostala americká sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), ktorej úlohou bolo pozorovať fluktuácie reliktného žiarenia.
Do povedomia verejnosti sa dostal bod L2 predovšetkým na Vianoce v roku 2021, keď k nemu NASA vyslala dlhoočakávaný teleskop Jamesa Webba. Koncom leta 2023 sem dorazila tiež kozmická sonda Euclid. Vedci do nej vkladajú nádeje, že ľudstvu pomôže vysvetliť záhadnú geometriu vesmíru a poodhalí tajomstvá temnej hmoty a temnej energie.
Vesmírny teleskop Jamesa Webba je umiestnený v Lagrangeovom bode L2, hlboký vesmír pozoruje v infračervenom spektre. Zdroj foto: NASA
Zaujímavosťou misie Euclid bolo maximálne účelné využitie štartovacieho okna. Inžinieri let naplánovali tak, že pôvodne trojmesačnú cestu do L2 skrátili na jeden mesiac. Využili pritom gravitačné pôsobenie Zeme, Slnka i Mesiaca.
Všade samé sondy
Libračný bod L2 sa na prvý pohľad hemží sondami. Okrem Webba a sondy Euclid sa v ňom nachádzajú aj kozmické zariadenia Herschel, Gaia a Planck. I napriek tomu však žiadna kolízia nehrozí. Ani jeden z prístrojov nie je priamo v Lagrangeovom bode. Všetky ho obiehajú po trajektóriách, ktoré nazývame aj halo orbity alebo Lissajousove dráhy. Môžu sa pohybovať okolo libračného centra vo vzdialenosti, ktorú by sme mohli prirovnať k obežnej dráhe Mesiaca okolo Zeme.
Najosamelejším spomedzi všetkých libračných centier je bod L3. Leží za Slnkom hneď oproti Zemi, preto objekty v tomto bode z našej planéty nikdy neuvidíme.
V budúcnosti by sme ho mohli teoreticky použiť na pozorovanie odvrátenej strany Slnka. „Tu umiestnené observatórium by mohlo študovať slnečné škvrny a dopredu upozorňovať na možný vznik intenzívnych slnečných erupcií,“ uvádza Čechvala.
Zásobáreň asteroidov
Okrem toho, že ľudstvo používa Lagrangeove body na umiestňovanie vesmírnej pozorovacej techniky, kumulujú sa v nich aj prirodzené kozmické telesá. Ide najmä o planétky či asteroidy. Najpočetnejšiu skupinu tvoria v sústave Slnko – Jupiter v bodoch L4 a L5 a súhrnne ich nazývame aj trojanské asteroidy.
Sonda Lucy, ktorá odštartovala svoju misiu v roku 2021, sa dostane k Jupiterovým trojanským asteroidom v roku 2027. Zdroj foto: NASA
Prvým objaveným Trójanom sa stala v roku 1906 planétka 588 Achilles. Objavil ju nemecký astronóm a astrofotograf Max Wolf a pomenoval podľa hrdinu z trójskej vojny. Neskôr sa ustálil úzus, že ďalšie objavené telesá dostanú pomenovania podľa gréckych a trójskych hrdinov Homérovho eposu Iliada.
Aj v sústave Slnko – Zem sme spozorovali trojanské asteroidy. Existujú dokonca hypotézy, že teleso Theia, z ktorého sa po zrážke so Zemou sformoval Mesiac, pochádzalo práve z oblastí bodov L4 alebo L5.
Diaľnica naprieč vesmírom
Americký Národný úrad pre letectvo a vesmír (NASA) vypustil v roku 2001 sondu Genesis, ktorá mala na Zem dopraviť vzorku častíc slnečného vetra. Misia sa skončila fiaskom. Zbernej nádobe zlyhal pristávací padák a uskladnený materiál sa po dopade na zemský povrch kontaminoval. Pozornosť ale pritiahol aj zaujímavý spôsob, akým sonda cestovala vesmírom. Využila koncept takzvanej medziplanetárnej superdiaľnice.
Navrhla ho skupina vedcov okolo projektového inžiniera Martina W. Loa ešte v roku 1997 a hlavnú úlohu s cieľom cestovania naprieč slnečnou sústavou v ňom zohrávajú Lagrangeove body. Tento spôsob môže podľa vedcov výrazne znížiť množstvo paliva potrebného na budúce vesmírne misie.
Medziplanetárnu diaľnicu tvorí spletitá sieť uzlov, tunelov a dráh, ktoré zodpovedajú rozloženiu libračných centier v našej slnečnej sústave. Ide o zaujímavý spôsob riešenia problému troch telies, ktorému sa po prvýkrát venoval koncom 19. storočia francúzsky fyzik a matematik Henri Poincaré (1854 – 1912). Všimol si, že dráhy, ktoré vedú do alebo z týchto bodov, sa istý čas takmer vždy v danom bode ustália.
Vizualizácia konceptu medziplanetárnej diaľnice. Zdroj: wikipedia
Vidina vesmírnych letov, ktoré by boli založené výlučne na využívaní libračných bodov, je nateraz skôr v rovine sci-fi. „Z pohľadu možného šetrenia energie je to koncept určite zaujímavý, avšak s najväčšou pravdepodobnosťou aj pýtajúci si pomerne dlhý čas na cestovanie,“ myslí si Patrik Čechvala.
Problém to však nemusí predstavovať pri vesmírnych objektoch, ktoré nepilotuje ľudská posádka. Zaujímavosťou je, že napríklad trajektória asteroidu 39P/Oterma, ktorý prekonáva vonkajšiu dráhu planéty Jupiter, približne kopíruje spomínané nízkoenergetické cesty.
Zdroje: ESA, NASA, Jet Propulsion Laboratory/NASA
(af)
