منذ إطلاق أول قمر صناعي في عام 1957، كانت الحكومات والشركات والمؤسسات البحثية تضع الأعلام بين النجوم. ولكن على الرغم من أنه قد يبدو أن هناك مساحة كبيرة في هذه المساحة الشاسعة، إلا أن بعض قطع العقارات السماوية أكثر قيمة من غيرها. كل نقطة من هذه النقاط هي نقطة لاغرانج، وبقدر ما يتعلق الأمر باستكشاف الإنسان للفضاء، فقد تكون أهم الأماكن في نظامنا الشمسي.
Since the launch of the first artificial satellite in 1957, governments, companies, and research institutions have been planting flags among the stars. But while it might seem like there's plenty of room in this vast expanse, some pieces of celestial real estate are more valuable than others. Each of these dots is a Lagrange point, and as far as human space exploration is concerned, they may be the most important places in our solar system.
تم تسمية نقاط لاغرانج باسم عالم الرياضيات في القرن الثامن عشر الذي استنتج مواقعها، وهي أماكن نادرة للتوازن في عالمنا المتغير باستمرار. تؤثر جميع الأجرام السماوية بقوة جاذبية على الأجسام القريبة، وتسحبها داخل وخارج المدارات. وتعمل الجاذبية جنبًا إلى جنب مع العديد من القوى الظاهرة لتحديد شكل تلك المدارات. ومع ذلك، فإن نقاط لاغرانج هي الأماكن التي تتوازن فيها كل هذه القوى. لذلك إذا وضعنا جسمًا منخفض الكتلة نسبيًا هنا، فسيحافظ على مسافة ثابتة من الأجسام الضخمة التي تسحبه. في الأساس، تعتبر نقاط لاغرانج أماكن انتظار سماوية - بمجرد وجود الجسم، فإنه يتطلب القليل إلى صفر طاقة للبقاء في مكانه. لذلك عندما يريد البشر الاحتفاظ بجسم ما في مكان واحد لفترة طويلة دون استخدام أطنان من الوقود، يجب أن يدور حول نقطة لاغرانج.
Named after the 18th century mathematician who deduced their positions, Lagrange points are rare places of equilibrium in our constantly shifting universe. All celestial bodies exert a gravitational force on nearby objects, pulling them in and out of orbits. And gravity acts alongside several apparent forces to determine what those orbits look like. However, Lagrange points are places where all these forces balance out. So if we place a relatively low mass object here, it will maintain a constant distance from the massive bodies pulling on it. Essentially, Lagrange points are celestial parking spaces— once an object is there, it requires little to no energy to stay put. So whenever humans want to keep an object in one place for a long time without using tons of fuel, it needs to be orbiting a Lagrange point.
ومع ذلك، لا يوجد سوى الكثير من أماكن الوقوف هذه. تتنج أزواج الأجسام الضخمة في نظامنا الشمسي مجموعات من خمس نقاط لاغرانج. هذا يعني أن شمسنا لديها خمس نقاط مع كل كوكب، وأن كواكبنا لديها خمس نقاط مع كل من أقمارها. وبإضافة هذه النقاط، هناك أكثر من 1000 نقطة لاغرانج في نظامنا الشمسي - ولكن القليل منها فقط مفيد للأغراض البشرية. يوجد العديد منها في مواقع يصعب الوصول إليها أو ببساطة ليست مفيدة جدًا. ولأسباب سنشرحها بعد قليل، كثير من الآخرين غير مستقرين. حاليًا، يتم استخدام نقطتين فقط من هذه النقاط بكثرة من قبل البشر. ولكن من المحتمل أن نستخدم المزيد في المستقبل - مما يجعل هذه النقاط المحدودة ممتلكات حصرية. الأمر الذي يطرح السؤال التالي: ما الذي يجب أن نوقف فيه بالضبط؟
However, there are only so many of these parking spots. Pairs of massive bodies in our solar system generate sets of five Lagrange points. This means our Sun has five points with every planet, and our planets have five points with each of their moons. Adding these up, there are over 1,000 Lagrange points in our solar system— but only a few are useful for human purposes. Many are in locations that are too difficult to reach or simply not very useful. And for reasons we'll explain in a bit, many others are unstable. Currently, only two of these points are heavily used by humans. But we’ll likely use many more in the future— making these limited points exclusive real estate. Which begs the question: what exactly should we park in them?
تعتمد هذه الإجابة على مكان كل نقطة. ضع في اعتبارك نقاط لاغرانج الخمس التي تولدها الشمس والأرض. يقع L1 داخل مدار الأرض، على بعد حوالي 1.5 مليون كيلومتر من الكوكب. مع هذه الرؤية البانورامية للشمس، دون أن يعيقها ظل الأرض، تعد L1 المكان المثالي للأقمار الصناعية التي ترصد الشمس. تقع L2 على نفس المسافة من الأرض ولكن خارج مدارها ومحمية من الشمس، مما يجعلها المكان المثالي لمراقبة الفضاء الخارجي. في عام 2022، تم تشغيل تلسكوب جيمس ويب الفضائي عبر الإنترنت هنا، في مكان تحتل فيه الشمس والأرض جزءًا صغيرًا فقط من السماء. يقع L3 بالتحديد في موقع غامض لا يمكن ملاحظته مباشرة من سطح الأرض. جعل هذا L3 مكانًا متكررًا في الخيال العلمي، على الرغم من أنه لم يقدم الكثير من الفائدة للعلماء حتى الآن.
That answer depends on where each point is. Consider the five Lagrange points generated by the Sun and the Earth. L1 is located inside Earth's orbit, about 1.5 million kilometers away from the planet. With this panoramic view of the Sun, unobstructed by Earth’s shadow, L1 is the perfect place for solar-observing satellites. L2 is at the same distance from Earth but outside its orbit and shielded from the Sun, making it the perfect spot to observe outer space. In 2022, the James Webb Space Telescope went online here, in a spot where the Sun and Earth only occupy a tiny fraction of the sky. L3 is in a particularly mysterious location that can never be directly observed from Earth’s surface. This has made L3 a frequent locale in science fiction, though it hasn’t offered much use to scientists yet.
ومع ذلك، فإن L4 وL5 يختلفان قليلاً عن أشقائهما. في كل مجموعة من خمس نقاط، نقاط لاغرانج الثلاث الأولى غير مستقرة بعض الشيء. هذا يعني أن الأشياء سوف تنجرف ببطء بعيدة عنها، على الرغم من أن إبقاء ما أوقفناه هناك في مكانه لا يزال رخيصًا من حيث الطاقة. ومع ذلك، يختلف استقرار L4 وL5 من مجموعة إلى أخرى. إذا كانت كتلة الجسم الأثقل من الجسمين المولدين للنقاط أقل من 25 ضعف كتلة الجسم الأخف، فإن هذه النقاط غير مستقرة للغاية بحيث لا يمكن إيقاف الأشياء فيها. ومع ذلك، إذا كان الجسم الأثقل ضخمًا كفاية - كما هو الحال في مجموعة الشمس والأرض - فإن القوى ذات الصلة ستعيد دائمًا الأشياء إلى نقاط التوازن هذه، مما يجعلها أكثر أماكن الوقوف استقرارًا لدينا. هذا هو السبب في أن مثل هذه النقاط تراكم بشكل طبيعي الأجسام الفضائية، مثل مجموعة Sun-Jupiter L4 وL5، والتي تستضيف آلاف الكويكبات.
L4 and L5, however, are a bit different from their siblings. In every set of five, the first three Lagrange points are slightly unstable. This means objects will slowly drift away from them, though keeping what we’ve parked there in place is still energetically cheap. The stability of L4 and L5, however, varies from set to set. If the heavier of the two bodies generating the points has less than 25 times the mass of the lighter body, these points are too unstable to park things in. However, if the heavier body is massive enough— like it is in Sun-Earth set— then the relevant forces will always return objects to these equilibrium points, making them our most stable parking spots. That’s why points like these naturally accumulate space objects, such as the Sun-Jupiter set’s L4 and L5, which host thousands of asteroids.
كل نقطة من نقاط لاغرانج في نظامنا الشمسي لها صفات مميزة. قد يكون بعضها مثاليًا لتنظيف مواد البناء من الكويكبات المنجرفة. قد يكون البعض الآخرمثاليًا لإنشاء محطات وقود للسفن المتجهة إلى الفضاء السحيق، أو حتى استضافة مستعمرات بشرية بأكملها. هذه النقاط هي بالفعل موطن لإنجازات تكنولوجية متقدمة، ولكن سرعان ما يمكن أن تصبح نقطة انطلاق لنا نحو النجوم.
Every Lagrange point in our solar system has its quirks. Some might be perfect for scavenging construction materials from drifting asteroids. Others might make ideal gas stations for ships headed to deep space, or even host entire human colonies. These points are already home to advanced technological achievements, but soon, they could become our stepping stones to the stars.