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.
از زمان پرتاب اولین ماهواره مصنوعی به فضا در ۱۹۵۷، دولتها، شرکتها و مراکز تحقیقات در میان ستارهها پرچم بلند میکردند. اما اگرچه به نظر میرسد فضای زیادی در این پهنه عظیم وجود دارد، برخی املاک کهکشان ارزشمندتر از مابقی هستند. هر کدام از این نقاط، یک نقطه لاگرانژیست، و تا جایی که انسانها اکتشافات فضایی انجام دادهاند، احتمال دارد این نقاط مهمترین نقاط منظومه شمسی باشد.
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.
نقاط لاگرانژی به نام ریاضیدان قرن ۱۸م که محل آنها را ردیابی کرد، نامیده شده است. این نقاط کمیابترین نقاط تعادل در جهانِ همواره در حال جابهجایی ما هستند. تمام اجرام آسمانی بر اجسام مجاور نیروی گرانشی وارد میکنند، و آنها را به داخل یا خارج از مدار میکشانند. و جاذبه موازی با نیروهای مشهود دیگر عمل میکند تا تعیین کند که آن مدارها چگونه باشند. اما نقاط لاگرانژی مناطقی هستند که در آن همه این نیروها خنثی میشوند. پس اگر جسم نسبتاً سبکی را اینجا قرار دهیم، فاصلهاش را با اجرام عظیمی که آن را میکشند، حفظ میکند. همچنین، نقاط لاگرانژی ایستگاههای فضایی نیز هستند. اگر جسمی آنجا باشد، به انرژی بسیار کمی برای ثابت ماندن نیاز دارد. پس هرگاه انسانها بخواهند جسمی را در یک نقطه برای مدتی طولانی نگه دارند بیآنکه چندین تن سوخت مصرف کنند، باید آن را در یک نقطه لاگرانژی حرکت دهند.
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?
با این حال، تعداد زیادی از این ایستگاههای فضایی وجود دارد. جفتهای اجرام عظیم در منظومه شمسیمان مجموعههایی از نقاط پنجتایی لاگرانژی میسازند. به این معنی که خورشید با هر سیاره پنج نقطه میسازد، و سیارهها نیز با هر قمرشان پنج نقطه میسازند. با در نظر گرفتن همه اینها، بیش از ۱۰۰۰ نقطه لاگرانژی در منظومه شمسی وجود دارد. اما تنها تعدادی برای اهداف انسان مفیدند. بسیاری در موقعیتهایی قرار دارند که دسترسی به آنها دشوار است یا فقط کاربردی ندارند. و به دلایلی که توضیح خواهیم داد، بسیاری دیگر نیز ناپایدارند. در حال حاضر، تنها دو نقطه از این نقاط کاربرد زیادی برای انسانها دارد. اما به احتمال زیاد در آینده از نقاط بیشتری بهره خواهیم برد و این نقاط محدود را به املاک انحصاری خود تبدیل خواهیم کرد. که این سوال را پیش میآورد: دقیقاً چه چیزی باید آنجا قرار دهیم؟
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.
پاسخ به محلی که هر نقطه واقع شده است بستگی دارد. پنج نقطه لاگرانژی که خورشید و زمین میسازند را در نظر بگیرید. نقطه اول درون مدار زمین، حدود ۱.۵ میلیون کیلومتر دورتر از سیاره قرار دارد. با این دید وسیع به خورشید، بدون مانعی از طرف سایه زمین، نقطه اول بهترین محل برای ماهوارههای رصد خورشیدی است. نقطه دوم فاصله یکسانی با زمین دارد، اما خارج از مدار است و از سوی خورشید محفوظ شده است، که آنجا را به نقطهای مناسب جهت مشاهده فضای بیرونی میکند. در ۲۰۲۲، تلسکوپ فضایی جیمز وب به صورت مجازی به آن نقطه رفت، در محلی که خورشید و زمین تنها بخش بسیار کوچکی از آسمان را اشغال کرده است. نقطه سوم موقعیت مرموز بهخصوصی دارد که هیچگاه مستقیماً از سطح زمین مشاهده نمیشود. این موضوع نقطه سوم را به منطقه مهمی در داستانهای علمی-تخیلی تبدیل کرده است، گرچه هنوز کاربرد زیادی به دانشمندان ارائه نکرده است.
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.
نقطه چهارم و پنجم از سایر نقاط کمی متفاوتتر است. در هر مجموعه پنجتایی، سه نقطه اول اندکی ناپایدارند. یعنی اجرام به آرامی از آنها دور میشوند، هرچند نگه داشتن هرآنچه در آنجا نگه داشته شده بود، به انرژی کمی نیاز دارد. البته پایداری نقطه چهارم و پنجم از مجموعهای به مجموعه دیگر متغیر است. اگر حجم جرم سنگینتر که موجب ایجاد این نقطه شده است از ۲۵ برابر حجم جرم دیگر کمتر باشد، این نقاط ناپایدارتر از آناند که بتوان چیزی در آن نگه داشت. البته، چنانچه جرم سنگینتر به اندازه کافی حجیم باشد، مانند مجموعه خورشید-زمین، نیروهای مربوطه همواره اشیاء را به این نقاط تعادل برمیگرداند، و با این کار پایدارترین نقاط ایجاد میشوند. به همین دلیل است که نقاط اینچنینی اشیاء فضایی را به سمت خود میکشد، مثل نقاط چهارم و پنجم مجموعه خورشید-مشتری که میزبان هزاران شهابسنگ است.
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.
هر نقطه لاگرانژی در منظومه شمسیمان تناقضات خودش را دارد. برخی ممکن است برای دور کردن مصالح ساختمانی از سیارکهای در حال حرکت مفید باشد. برخی دیگر ایستگاههای سوخت مناسبی برای سفینههای فضایی هستند، یا حتی از گروههای انسانها میزبانی میکنند. این نقاط در حال حاضر منشاء دستاوردهای علمی پیشرفته هستند، اما به زودی، به پلههایی برای رسیدنمان به ستارگان بدل میشوند.