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.
מאז השקת הלוויין המלאכותי הראשון בשנת 1957, ממשלות, חברות, ומוסדות מחקר תקעו דגלים בין הכוכבים. אבל למרות שאולי נראה כאילו יש הרבה מקום במרחב העצום הזה, כמה פיסות של נדל“ן שמיימי שוות יותר מאחרות. כל אחת מהנקודות הללו היא נקודת לגרנז’, ולגבי חקר החלל האנושי הן עשויות להיות המקומות החשובים ביותר במערכת השמש שלנו.
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.
הן נקראות על שם המתמטיקאי מהמאה ה-18 שהסיק את עמדותיהן, נקודות לגרנז′ הן מקומות נדירים של שיווי משקל ביקום שלנו המשתנה כל הזמן . כל גרמי השמים מפעילים כוח כבידה על עצמים קרובים, מושכים אותם פנימה ומחוץ למסלולים. וכוח הכבידה פועל לצד כמה כוחות לכאורה כדי לקבוע איך נראים המסלולים האלה. עם זאת, נקודות לגראנז′ הן מקומות שבהם כל הכוחות האלה מתאזנים. אז אם נציב כאן חפץ בעל מסה נמוכה יחסית, הוא ישמור על מרחק קבוע מהגופים המאסיביים שמושכים אותו. בעיקרו של דבר, נקודות לגרנז′ הן מקומות חניה שמימיים- ברגע שאובייקט נמצא שם, הוא דורש מעט עד אפס אנרגיה כדי להישאר במקום. אז בכל פעם שבני אדם רוצים לשמור אובייקט במקום אחד במשך זמן רב מבלי להשתמש בטונות של דלק, הוא צריך להקיף נקודת לגראנג’.
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?
עם זאת, יש רק כמות מסוימת של מקומות החניה הללו. זוגות של גופים מסיביים במערכת השמש שלנו יוצרים סטים של חמש נקודות לגראנז’. זה אומר שיש לשמש שלנו חמש נקודות עם כל כוכב לכת, ולכוכבי הלכת שלנו יש חמש נקודות עם כל אחד מהירחים שלהם. אם מוסיפים את אלה, יש יותר מ-1,000 נקודות לגרנז′ במערכת השמש שלנו- אבל רק מעטות מועילות למטרות אנושיות. רבות נמצאות במקומות שקשה מדי להגיע אליהם או פשוט לא מאוד שימושיות. ומסיבות שנסביר עוד מעט, רבות אחרות אינן יציבות. נכון לעכשיו, רק שתיים מהנקודות הללו נמצאות בשימוש רב על ידי בני אדם. אבל סביר להניח שנשתמש ברבות יותר בעתיד- מה שיהפוך את הנקודות המצומצמות הללו לנדל“ן אקסקלוסיבי. מה שמעלה את השאלה: מה בדיוק עלינו להחנות בהם?
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.
התשובה הזו תלויה במיקום בו נמצאת כל נקודה. קחו בחשבון את חמש נקודות הלגרנז′ שנוצרות על ידי השמש וכדור הארץ. L1 ממוקמת בתוך מסלול כדור הארץ, כ-1.5 מיליון קילומטרים הרחק מהפלנטה. עם הנוף הפנורמי הזה של השמש, ללא הפרעה מהצל של כדור הארץ, L1 היא המקום המושלם עבור לוויינים שצופים בשמש. L2 נמצאת באותו מרחק מכדור הארץ אבל מחוץ למסלולו ומוגנת מפני השמש, מה שהופך אותה למקום המושלם לצפייה בחלל החיצון. בשנת 2022, טלסקופ החלל ג’יימס ווב הופעל פה, במקום שבו השמש וכדור הארץ תופסים רק חלק קטן מהשמים. L3 נמצאת במיקום מסתורי במיוחד שלעולם לא ניתן לצפות בו ישירות מפני השטח של כדור הארץ. זה הפך את L3 למיקום שכיח במדע בדיוני, למרות שהיא לא הציעה שימוש רב למדענים עדיין.
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.
עם זאת, L4 ו-L5 שונות מעט מהאחיות שלהן. בכל סט של חמש, שלושת נקודות לגרנז′ הראשונות מעט לא יציבות. זה אומר שאובייקטים יתרחקו לאט הרחק מהן, אם כי לשמור על מה שהחנינו שם, זה עדיין זול מבחינה אנרגטית. היציבות של L4 ו-L5, לעומת זאת, משתנה מסט לסט. אם לכבד מבין שני הגופים שיוצרים את הנקודות יש פחות מפי 25 מהמסה של הגוף הקל יותר, נקודות אלו לא יציבות מספיק כדי להחנות בהן דברים. עם זאת, אם הגוף הכבד יותר הוא מספיק מסיבי כמו בסט- “שמש-ארץ” אז הכוחות הרלוונטיים תמיד יחזירו אובייקטים לנקודות שיווי המשקל הללו, מה שהופך אותן למקומות החניה היציבים ביותר שלנו. זו הסיבה שנקודות כאלה צוברות אובייקטי חלל באופן טבעי, כמו L4 ו-L5 של סט “שמש-צדק,” המארחות אלפי אסטרואידים.
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.
לכל נקודת לגראנז′ במערכת השמש שלנו יש את המוזרויות שלה. חלקן עשויות להיות מושלמות לאיסוף חומרי בנייה מאסטרואידים נסחפים. אחרות עשויות לשמש תחנות דלק אידיאליות עבור ספינות לכיוון החלל העמוק, או אפילו לארח מושבות אנושיות שלמות. הנקודות האלה הן כבר בית להישגים טכנולוגיים מתקדמים, אבל בקרוב, הן יכולות להפוך לאבני המדרך שלנו אל הכוכבים.