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.
Desde do lançamento do primeiro satélite artificial em 1957, governos, empresas e instituições de investigação têm plantado bandeiras entre as estrelas. Mas embora possa parecer que existe imenso espaço nesta vastidão, alguns pedaços de imóveis celestiais são mais valiosos do que outros. Cada um destes pontos é um ponto Lagrange, e no que diz respeito à exploração espacial humana, são provavelmente os pontos mais importantes no nosso sistema solar.
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.
Batizados com o nome do matemático do século XVIII que deduziu as suas posições, os pontos de Lagrange são locais raros de equilíbrio no nosso universo em constante mudança. Todos os corpos celestes exercem uma força gravitacional em objetos próximos, puxando-os para dentro e fora de órbitas. E a gravidade atua ao lado de várias forças aparentes para determinar como são essas órbitas. Porém, os pontos de Lagrange são sítios onde todas estas forças se equilibram. Então, se colocarmos aqui um objeto de massa relativamente baixa, irá manter uma distância constante dos corpos de grande massa que o puxam. No fundo, os pontos de Lagrange são sítios de estacionamento celestes - assim que um objeto se encontra lá, requer pouca ou nenhuma energia para ficar no sítio. Portanto sempre que os humanos querem manter um objeto num local por muito tempo sem usar toneladas de combustível, é preciso que ele esteja a orbitar um ponto de Lagrange.
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?
Porém, há um número limitado destes lugares de estacionamento. Pares de corpos maciços no nosso sistema solar originam conjuntos de cinco pontos de Lagrange. Isto significa que o nosso Sol partilha cinco pontos com cada planeta, e os nossos planetas partilham cinco pontos com cada uma das suas luas. Somando-os todos, existem mais de 1000 pontos de Lagrange no nosso sistema solar mas apenas alguns são úteis para os humanos. Muitos estão em locais demasiado difíceis de alcançar ou que são simplesmente inúteis. E por razões que iremos explicar a seguir, muitos outros são instáveis. Atualmente, apenas dois destes pontos são muito usados pelos humanos. Mas iremos provavelmente usar muitos mais no futuro - tornando estes pontos limitados em bens exclusivos. O que levanta a questão: o que é que devemos mesmo colocar lá?
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.
A resposta depende da localização de cada ponto. Considerem os cinco pontos de Lagrange gerados pelo Sol e pela Terra. L1 encontra-se dentro da órbita terrestre, a cerca de 1,5 milhões de quilómetros do planeta. Com esta vista panorâmica do Sol, sem obstruções pela sombra da Terra, L1 é o sítio perfeito para os satélites de observação solar. L2 está à mesma distância da Terra mas fora da sua órbita e protegido do Sol, tornando-o no local ideal para observar o Espaço. Em 2022, o Telescópio Espacial James Webb ficou <i>online</i> aqui, num local onde o Sol e a Terra apenas ocupam um pequeno pedaço do céu. L3 encontra-se num sítio particularmente misterioso que nunca se consegue observar diretamente da superfície da Terra. Isto fez do L3 um local frequentemente usado na ficção científica, apesar de não dizer ainda muito aos cientistas.
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.
L4 e L5, no entanto, são um pouco diferentes dos seus familiares. Em cada conjunto de cinco pontos, os três primeiros são um pouco instáveis. Isto significa que os objetos irão aos poucos afastar-se de lá, apesar de manter aquilo que lá estacionámos ser energeticamente barato. No entanto, a estabilidade do L4 e L5 varia de conjunto para conjunto. Se o mais pesado dos dois corpos que geram os pontos tem menos de 25 vezes a massa do corpo mais leve, estes pontos são demasiado instáveis para colocar lá coisas. Mas se o mais pesado for suficientemente massivo - como é no conjunto Sol-Terra - então as forças maiores irão sempre fazer com que os objetos regressem a estes pontos de equilíbrio, fazendo deles os locais de estacionamento mais estáveis. É por isso que pontos como estes acumulam naturalmente objetos espaciais, como o conjunto Sol-Júpiter L4 e L5, que hospeda milhares de asteroides.
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.
Cada um dos pontos de Lagrange tem as suas peculiaridades. Alguns podem ser perfeitos para recolher materiais de construção de asteroides à deriva. Outros podem ser postos de gasolina ideais para naves que se dirigem para o Espaço, ou mesmo abrigar colónias humanas. Estes pontos já abrigam conquistas tecnológicas avançadas, mas em breve, podem tornar-se trampolins para as estrelas.