迷人的“拉格拉日点”

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  1978年第一颗拉格朗日点卫星国际探测者三号发射成功开始,拉开了拉格朗日点开发利用的序幕。近年来,拉格朗日点的应用已成为国际空间探测热点,多颗该类卫星相继发射成功。什么是“拉格朗日点”?
  1772年,法籍意大利数学家拉格朗日推断出:两个质量相差悬殊的天体在同一平面上有5个点,在这5个点上物体所受的引力和离心力基本相等。后来人们把这5个点叫做“拉格朗日点”。例如,先以太阳为圆心、日地距离为半径在平面上画一个圆;再以地球为圆心、日地距离为半径也在同一平面上画一个圆,这样一来就会出现两个交点,即,L4、L5。两个交点分别与太阳和地球形成一个等边三角形。众所周知,三角形是最稳定的结构。拉格朗日经过推理验证,质量较小的物体处在交点上时受力基本平衡,可以保持相对稳定的状态。再以太阳、地球系统为例,假设把太阳和地球用一根直线连接起来,那么,在这根连线上距离地球大约150万千米的地方就是L1点;而L2点则在这根连线的反向延长线上距离地球也是150万千米的地方。同样,L3也在这根连线的反向延长线上,只不过是在以太阳为中心、在平面上与地球对称的点上。
  1906年,科学家首次发现运动于木星轨道上的特洛伊小行星在木星和太阳的共同作用下平衡地处在“拉格朗日点”上。同年发现的第617号小行星出现在木星轨道上,比木星落后60°,三者也构成了一个等边三角形。20世纪80年代,科学家又发现在土星和它的大卫星构成的运动系统中也有类似的等边三角形。这些事实都无可辩驳地证实了拉格朗日推理的正确性。
  
  放置宇宙观测仪的理想场所
  
  在拉格朗日点上,航天器消耗很少的推进剂即可长期环绕L2点运行,是探测器、天体望远镜定位和观测太阳系的理想位置。随着科学家们对外太空探索热情的高涨,拉格朗日点已经成为观测空间天气、太空环境、宇宙起源等的最佳位置。科学家们在运用“拉格朗日点”的特殊位置进行了一系列的太空探测活动。
  2001年,美国航宇局在肯尼迪航天中心发射了一个名为“微波背景各向异性探测器”的仪器MAP,它被发射到空间围绕一个被称为“第二拉格朗日点。”MAP装有一对背靠背的望远镜,可以源源不断地每天传送宇宙背景温度数据给地面的研究站。
  “哈勃”的“接班人”——“詹姆斯韦伯”也将被放到第二拉格朗日点”,主要在可见光和中红外波段上进行观测。在这个位置上,地球和太阳的引力相互抵消,望远镜相对于地球和太阳相对保持静止,仅需少量燃料就可维持运行。
  
  构筑太空高速公路的地标
  
  除了可以放置宇宙观测仪外,由“拉格朗日点”连结而成的太空高速公路也为航天员进行星际旅行大开方便之门。美国航宇局2002公布了一张由科学家精心设计的“太空高速公路路线图”。据说,假如宇宙飞船按照设计的路线在太空飞行,不但可以节省大量用于推进的燃料,而且还可以大大缩短飞行时间!“太空高速公路”究竟是什么样子的呢?实际上,它就是一条条空间隧道,它们呈螺旋形状,就像扭曲旋转着的绳索一样。依据天体物理学原理,任意两个天体之间都有5个“拉格朗日点”。这种隧道正是按照“拉格朗日点”的分布轨道在行星之间连接而成的,宇宙飞船在里面行驶时所受的引力基本能够相互抵消,所以几乎不需要耗费多少能源就能够畅游太空。同时。科学家们还普遍认为“第二拉格朗日点”是登陆火星独一无二的最佳站点。
  
  未来太空城的最佳位置
  
  早在19世纪末,科学家就预言:人类将在地球周围建立宽广的居民点。那么,这个居民点将建在什么地方呢?1974年,美国科学家指出,最佳位置就在地月系统的“拉格朗日点”上。因为地球和月球的引力在L4、L5这两个交点处能够长久保持基本平衡,所以建在这两个点上的空间城,都会长期保持在相对稳定的位置上。当月球围绕地球运行8寸,处于这两个点的空间城也会与月球始终保持同步,一起环绕地球运行。未来的空间城建在“拉格朗日点”上,可使空间城永远成为地月系统的一部分,永远与地球和月球保持相等的距离,不会像位于其他地方的人造天体那样会逐渐改变自己的位置。从L4、L5到地球十分便捷,不过5天时间;与月球更是近在咫尺,能够方便、充分地利用月球资源。
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