Нил Тайсон - Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности
Вторая и третья точки Лагранжа (L2 и L3) тоже лежат на линии «Земля-Луна», однако L2 расположена далеко по ту сторону Луны, а L3 – далеко по ту сторону Земли. Там опять же действуют три силы – гравитация Земли, гравитация Луны и центробежная сила вращающейся системы. И опять же тело, помещенное в одну из этих точек, будет обращаться вокруг центра тяжести системы «Земля-Луна» с тем же периодом в один месяц, что и Луна.
Гравитационные «площадки» в точках L2 и L3 гораздо просторнее, чем в L1. Так что если вы случайно отклонитесь в сторону Луны или Земли, самой чуточки топлива хватит, чтобы вернуться на место.
Точки L1, L2 и L3 пользуются заслуженным уважением, однако премия «Лучшие точки Лагранжа» достается точкам L4 и L5. Одна расположена далеко слева от центральной линии системы «Земля-Луна», другая на таком же расстоянии справа, и каждая представляет собой вершину равностороннего треугольника, две другие вершины которого – Земля и Луна.
Точки L4 и L5, как и три их сестры, – это точки равновесия всех сил. Однако в точках L1, L2 и L3 равновесие лишь неустойчивое, а в L4 и L5 – устойчивое, и в какую сторону ни подашься, куда ни отклонишься, силы не дадут отклониться еще больше: это словно долина между двумя холмами.
Если тело, находящееся в любой точке Лагранжа, расположено не в точности в том месте, где уравновешиваются все силы, оно будет колебаться в окрестностях точки равновесия и траектория его колебаний называется либрацией. (Не путайте их с определенными точками на поверхности Земли, где умы колеблются под воздействием либаций, то есть возлияний.) Либрации похожи на колебания шарика, который скатывается в лунку, но по инерции проскакивает дальше нижней точки, а потом возвращается обратно.
Мало того что L4 и L5 – это особые точки орбиты, это еще и места, где в принципе можно создать космические колонии. Нужно всего лишь доставить туда строительные материалы, добытые не только на Земле, но, возможно, и на Луне или на каком-нибудь астероиде, оставить их там, не рискуя, что они разлетятся, а потом вернуться с очередной партией. Накопив в точке с нулевой гравитацией достаточно материалов, можно построить огромную космическую станцию размером в десятки километров, причем напряжение в ее конструкции будет минимальным. А если станция будет вращаться, центробежная сила создаст искусственную гравитацию для сотен (а может быть, и тысяч) ее обитателей.
Именно с этой целью в августе 1975 года было создано «Общество L5». Основателями его стали инженеры-энтузиасты Кейт и Кэролайн Хенсон, а запомнилось оно в основном поддержкой идей принстонского преподавателя физики и рьяного сторонника колонизации космоса Джерарда О’Нила, который написал об этом несколько книг, в том числе классическую работу «Верхний фронтир. Человеческие колонии в космосе» (Gerard K. O’Neill, «High Frontier: Human Colonies in Space», 1976). Руководящим принципом «Общества L5» было «распустить Общество на общем собрании в точке L5» – видимо, общее собрание должно пройти на космической станции, и таким образом будет показано, что Общество достигло своей цели. В апреле 1987 года «Общество L5» объединилось с Национальным космическим институтом, и в результате было сформировано Национальное космическое общество, которое существует и по сей день.
Идею расположить крупные космические станции в точках либрации выдвинул еще Артур Кларк в романе «Лунная пыль» (1961). Кларк был знаком с особыми орбитами не понаслышке. В 1945 году он первым рассчитал, на каком расстоянии от поверхности Земли период обращения спутника в точности совпадет с 24-часовым периодом обращения Земли; расчеты заняли четыре страницы и были вручную отпечатаны на пишущей машинке. Спутник на такой орбите «парил» бы над поверхностью Земли и служил бы идеальной ретрансляционной станцией для международной радиокоммуникации. Сегодня именно таких спутников связи насчитывается несколько сотен.
Где же находится это волшебное место? Это не низкая околоземная орбита. Те, кто ее занимают, например, Космический телескоп им. Хаббла и Международная космическая станция, облетают Землю примерно за 90 минут. А если тело находится от Земли на том же расстоянии, что и Луна, оно обращается вокруг нашей планеты примерно за месяц. Логично предположить, что где-то между ними расположена орбита, на которой можно поддерживать период обращения в 24 часа. Оказывается, она пролегает в 35 786 километрах над Землей.
* * *Вообще-то вращающаяся система вроде системы «Земля-Луна» – явление достаточно распространенное. Для вращающейся системы «Земля-Солнце» существует свой набор из пяти точек Лагранжа. Астрофизическим спутникам особенно уютно в точке L2 системы «Земля-Солнце». Точки Лагранжа в этой системе вращаются по орбите между центром тяжести системы с периодом в один земной год. На расстоянии в полтора миллиона километров от Земли в направлении, противоположном Солнцу, телескоп в точке L2 может наблюдать все ночное небо 24 часа в сутки, поскольку Земля оттуда выглядит такой маленькой, что уже не играет никакой роли. А вот с низкой околоземной орбиты, где вращается телескоп имени Хаббла, Земля так велика, что заслоняет почти половину поля зрения. А Зонд микроволновой анизотропии им. Уилкинсона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP) достиг точки L2 системы «Земля-Солнце» в 2002 году и вот уже несколько лет усердно собирает данные о вездесущем реликтовом микроволновом излучении, следствии Большого Взрыва. «Вершина холма» области L2 в системе «Земля-Солнце» еще более просторная и плоская, чем в системе «Земля-Луна». У WMAP осталось всего 10 % топлива, однако этого хватит, чтобы находиться в этой точке неустойчивого равновесия почти сто лет. Сейчас НАСА планирует запуск Космического телескопа им. Джеймса Уэбба, который назван в честь бывшего руководителя НАСА, который стоял во главе агентства в 1960-е годы. Этот телескоп должен сменить телескоп им. Хаббла. Он тоже будет жить и работать в области L2 системы «Земля-Солнце». И даже после его появления там останется достаточно места для новых спутников – десятки тысяч квадратных километров.
А вокруг точки L1 в системе «Земля-Луна» колеблется еще один лагранжелюбивый спутник НАСА под названием «Дженезис». Расстояние от Земли до точки L1 составляет полтора миллиона километров в сторону Солнца. В течение двух с половиной лет «Дженезис» был нацелен на Солнце и собирал беспримесное солнечное вещество, в том числе атомы и молекулы из солнечного ветра. Затем материал был переправлен на землю в капсуле, и ее состав изучали точно так же, как должны были изучать образчики вещества с аппарата «Стардаст», который собирал космическую пыль. «Дженезис» позволит подробнее изучить состав первоначального солнечного облака, из которого сформировались Солнце и планеты. Покинув точку L1, капсула с собранным веществом пролетела вокруг точки L2 и вернулась на Землю.
Поскольку точки L4 и L5 – это области устойчивого равновесия, можно предположить, что возле них будет скапливаться космический мусор, так что вести там дела станет довольно рискованно. В сущности, и сам Лагранж предсказывал, что в точках L4 и L5 системы «Солнце-Юпитер» с ее мощной гравитацией будет обнаружен космический мусор. Прошло сто лет – и были открыты первые из «троянских астероидов» Юпитера. Теперь мы знаем, что в областях L4 и L5 системы «Солнце-Юпитер» находится множество астероидов, которые предшествуют Юпитеру и следуют за ним по орбите вокруг Солнца с периодами, равными периоду обращения Юпитера. Ведут они себя точь-в-точь так, словно их держат на месте какие-то силовые лучи из фантастических романов, – и на веки вечные обречены сидеть на привязи гравитационных и центробежных сил в системе «Солнце-Юпитер». Разумеется, мы не сомневаемся, что в точках L4 и L5 систем «Земля-Солнце» и «Земля-Луна» и в самом деле скапливается космический мусор. Так и есть. Но его несопоставимо меньше, чем в системе «Солнце-Юпитер».
У всего этого есть важный побочный эффект: межпланетные маршруты, которые начинаются в точках Лагранжа, требуют очень мало топлива, чтобы добраться до других точек Лагранжа, а иногда и до других планет. Если запустить космический аппарат из точки Лагранжа, то, в отличие от запуска с земной поверхности, когда львиная доля топлива расходуется только на то, чтобы оторваться от земли, получится похоже на спуск судна из сухого дока, когда оно плавно соскальзывает в океан с минимальными затратами топлива. Современные ученые и инженеры думают скорее не о самодостаточных «колониях Лагранжа» – с людьми и фермами, – а о том, что точки Лагранжа могут послужить воротами в остальную Солнечную систему. От точек Лагранжа в системе «Земля-Солнце» полпути до Марса – если говорить не о расстоянии или времени, а о расходе топлива, который, собственно, все и решает.
