نقاط لاگرانژی چه هستند و چه اهمیتی دارند؟

نقاط لاگرانژی زمین و هر سیاره‌ی دیگری برای آینده اخترشناسی، اکتشافات فضایی و حتی به گفته برخی، برای جلوگیری از فجایع اقلیمی حیاتی هستند. اما این نقاط چه هستند، چه تفاوتی با هم دارند و چگونه می‌توان از آن‌ها استفاده کرد؟

مشهورترین بینش نیوتن این بود که همان نیرویی که باعث سقوط سیب روی زمین می‌شود، می‌تواند ماه را نیز در آسمان نگه دارد، به شرطی که ماه با سرعت کافی حرکت کند. در بیشتر شرایط، تنها راه برای جلوگیری از سقوط یک جسم در فضا و دچارشدن به سرنوشت سیب، داشتن سرعت مداری مناسب است.

بااین‌حال، وقتی این واقعیت را درنظر بگیریم که نیروی گرانش زمین با خورشید برهم‌کنش دارد، متوجه می‌شویم مکان‌هایی وجود دارند که در آن‌ها سکون به معنای سقوط سریع روی زمین نیست (دست‌کم اگر سکون را نسبت به زمین تعریف کنیم، نه نسبت به خورشید). در این مکان‌ها، گرانش زمین و خورشید به‌گونه‌ای متعادل می‌شوند که یک جسم کم‌جرم نیروی خالص بسیار اندکی را تجربه می‌کند. این نقاط به افتخار ژوزف لویی لاگرانژ، ستاره‌شناس ایتالیایی‌فرانسوی نام‌گذاری شده‌اند، هرچند لئونارد اویلر پیش‌تر سه مورد از آن‌ها را کشف کرده بود. او این نقاط را در قالب راه‌حل‌هایی برای «مسئله سه‌ جسم» توضیح داده بود که در آن جرم یکی از اجسام بسیار ناچیز است.

نقاط لاگرانژی معمولاً با L1 تا L5 شناخته می‌شوند، گرچه همان‌طور که خواهیم دید، تنها دو مورد از آن‌ها واقعاً برای پارک کردن دائمی اجسام مناسب‌اند.

اگر اویلر و لاگرانژ نقاط لاگرانژی را کشف نکرده بودند، ازطریق کشف سیارک‌های تروجان در مدار مشتری به وجود نقاط لاگرانژی L4 و L5 پی می‌بردیم. سیارک‌های تروجان سنگ‌های فضایی کوچکی هستند که در مدارهای مشترک با سیارات به دور خورشید می‌چرخند و در نزدیکی نقاط لاگرانژی آن سیاره قرار می‌گیرند. این کشف احتمالاً ما را به این نتیجه می‌رساند که زمین هم چنین نقاطی دارد. تروجان‌های اصلی در مدار مشتری، ۶۰ درجه جلوتر و ۶۰ درجه عقب‌تر از آن جای گرفته‌اند و در بیشتر موارد میلیون‌ها یا حتی میلیاردها سال است در آن موقعیت‌ها باقی مانده‌اند.

فضاپیمای لوسی اکنون در مسیر خود برای بررسی بزرگ‌ترین تروجان‌های مشتری است. بنابراین انتظار داریم به‌زودی اطلاعات بیشتری درباره این سیارک‌ها به دست آوریم، اما طول عمر زیاد آن‌ها خود نشان‌دهنده پایداری L4 و L5 است.

سنگ‌های فضایی که به‌طور اتفاقی به نزدیکی نقاط لاگرانژی برسند، بدون نیاز به هیچ نیرویی می‌توانند مدارهای پایداری پیدا کنند و تقریباً تا همیشه در همان‌جا بمانند، البته اگر نسبت جرم خورشید به سیاره به‌اندازه‌ی کافی بزرگ باشد.

مشتری همه‌چیز را در مقیاسی بزرگ‌تر از سایر سیارات انجام می‌دهد و به همین دلیل، فضای بسیار بیشتری پیرامون نقاط دقیق L4 و L5 آن وجود دارد که مدارها در آن پایدار بمانند. نزدیکی این نقاط به کمربند سیارکی نیز باعث شده مشتری مجموعه‌ای بسیار چشمگیرتر از تروجان‌ها نسبت به سیارات درونی داشته باشد. با‌این‌حال، همه سیارات به‌جز عطارد دست‌کم یک تروجان دارند و تاکنون دو تروجان برای زمین شناسایی شده است.

تروجان‌ها به این دلیل شکل می‌گیرند که سیارات، به‌ویژه مشتری، به‌طور دقیق به دور مرکز خورشید نمی‌چرخند، بلکه به دور چیزی به نام «مرکز سنگینی سراسری» می‌گردند؛ یعنی نقطه‌ای که مرکز جرم مشترک دو جسم است.

برای سیارات کوچک‌تر، مرکز سنگینی سراسری داخل خورشید و نزدیک به هستهٔ آن قرار دارد. اما مرکز سنگینی سراسری سامانه خورشید–مشتری کمی بیرون از خورشید است و همین موضوع تیترهای جالبی مثل «مشتری به دور خورشید نمی‌چرخد» را به دنبال داشته است. سنگ‌ها و سیارک‌های کوچک می‌توانند در نقاط پایدار L4 و L5 به دور مرکز سنگینی سراسری سیستم سیاره-خورشید بچرخند.

بین زمین و خورشید، نقطه‌ای وجود دارد که در آن گرانش این دو به‌گونه‌ای ترکیب می‌شود که اجسام موجود در آن کندتر از حالت عادی حرکت می‌کنند. اما در این نقطه خاص بین زمین و خورشید، به دلیل تعادل گرانش زمین و خورشید، جسم می‌تواند با سرعت کندتر از معمول حرکت کند و باز هم یک سال طول می‌کشد تا یک دور کامل به دور خورشید بچرخد، بنابراین، این جسم از زمین جلو نمی‌زند.

این نقطه با نام L1 شناخته می‌شود و به دلیل اینکه گرانش خورشید بسیار قوی‌تر از زمین است، تقریباً در یک درصد مسیر بین زمین و خورشید قرار دارد، یعنی حدود ۱٫۵ میلیون کیلومتر از مرکز زمین فاصله دارد.

هیچ سیارکی در L1 وجود ندارد؛ زیرا نقطه‌ی لاگرانژی پایداری نیست. اجسامی که کمی از این نقطه فاصله بگیرند، به‌تدریج و سپس با سرعت بیشتر از آن دور می‌شوند؛ زیرا نیروهای گرانشی دیگر همدیگر را خنثی نمی‌کنند و جسم به جای بازگشت به نقطه پایدار، از آن دور می‌شود.

گرچه، فضاپیماهایی که در نزدیکی L1 قرار می‌گیرند، تنها نیاز به اصلاحات جزئی و گهگاهی دارند و با مقدار کمی سوخت می‌توانند دوباره در موقعیت قرار بگیرند. این موضوع در مقایسه با تقریباً هر جای دیگر در فضا مزیتی بزرگ است و L1 را به مکانی مطلوب برای مطالعه خورشید تبدیل کرده است؛ جایی که فضاپیما همچنان آن‌قدر به زمین نزدیک می‌ماند که داده‌ها را به‌طور مداوم ارسال کند. هم‌اکنون پنج ابزار علمی در نزدیکی L1 فعال‌ هستند و ناسا قصد دارد امسال سه ابزار دیگر به آنجا بفرستد.

برخی افراد که به‌دنبال راه‌حل سریع برای بحران اقلیمی هستند، پیشنهاد داده‌اند که می‌توان در L1 سپرهای نازک یا ابرهای غبار قرار داد تا جلوی بخشی از نور خورشید را گرفت و اثرات گرمایش ناشی از گازهای گلخانه‌ای را جبران کرد. عملی بودن این ایده بسیار مورد تردید است، اما نسخه‌های مختلف آن هر چند وقت یک‌بار مطرح می‌شوند.

در سمت دیگر زمین و مقابل خورشید، نقطه‌ی L2 قرار دارد. در این نقطه، گرانش زمین و خورشید باعث می‌شود اجسام سریع‌تر حرکت کنند و یک سال طول می‌کشد تا دور خورشید بچرخند.

نقطه‌ی L2 زمانی مشهور شد که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) در آنجا قرار گرفت. البته جیمز وب دقیقاً در نقطه L2 قرار ندارد، اما از تعادل تقریبی نیروهای گرانشی در نزدیکی آن بهره می‌برد. بنابراین فقط نیاز به اصلاح گهگاهی مسیر خود دارد و مقدار کم سوخت باقی‌مانده برای تلسکوپ می‌تواند برای مدت طولانی کافی باشد.

دیگر مأموریت‌های فضایی در L2 شامل فضاپیمای اقلیدس و در آینده تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن خواهد بود.

جالب است بدانید که قمرها نیز نقاط لاگرانژی خود را دارند. هرچند تاکنون نشانه‌ای از وجود تروجان‌های کوچک در آن‌ها پیدا نشده است، پیشنهاد شده که نقطه L1 در منظومه زمین-ماه، بهترین مکان برای ساخت سفینه‌ای غول‌پیکر در آینده جهت سفر به ستارگان خواهد بود.

نقطه‌ی L3 در سمت دیگر خورشید و دقیقاً مقابل زمین قرار دارد. این نقطه غیر از اینکه موضوع ترانه‌ی «Opposite Earth» در دهه‌ی ۸۰ بوده، بیشتر وقتی جلب توجه می‌کند که نظریه‌پردازان توطئه ادعا می‌کنند سیاره‌ای مقابل زمین وجود دارد. آن‌ها گاهی می‌گویند این سیاره پر از موجوداتی با نیت‌های شوم نسبت به زمین است.

قبل از اینکه فضاپیماها بتوانند به فضا بروند، نمی‌توانستیم ثابت کنیم که در نقطه‌ی L3 (سمت دیگر خورشید و مقابل زمین) سیاره‌ای وجود ندارد؛ زیرا خورشید جلوی دید ما را می‌گرفت. بااین‌حال، هیچ دلیلی هم وجود نداشت که فکر کنیم چنین سیاره‌ای وجود دارد. دلیلش هم این است که اگر در نقاط L3 سایر سیارات چیزی بزرگ وجود داشت، مدت‌ها پیش آن را دیده بودیم، پس زمین نباید استثنا باشد. البته برای کسانی که به این دست نظریه‌ها باور دارند، همین نبودِ شواهد دلیل دیگری است که «ناسا حقیقت را پنهان می‌کند»!