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  • 拉格朗日点

    拉格朗日点指受两大物体引力作用下,能够使小物体稳定的点。一个小物体在两个大物体的引力作用下在空间中的一点,在该点处,小物体相对于两大物体基本保持静止。这些点的存在由法国数学家拉格朗日于1772年推导证明的。1906年首次发现运动于木星轨道上的小行星(见特洛依群小行星)在木星和太阳的作用下处于拉格朗日点上。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 拉格朗日点
    推算人: 欧拉 时间: 1772年
    首次发现: 1906年 概念: 能够使小物体稳定的点
    • 婕~处于地月拉格朗日点上的空间站能够为宇航员和工程师积累深空操作的经验,最终会确保人类脱离地月系统而探索更为广阔的宇宙空间。

    目录

    简介/拉格朗日点 编辑

    拉格朗日点(Lagrangian points ) 指在两大物体引力作用下,能使小物体稳定的点,于1772年由法国数学家拉格朗日推算得出。1906年首次发现运动于木星轨道上的小行星脱罗央群小行星)在木星和太阳的作用下处于拉格朗日点上。

    在每个由两大天体构成的系统中,按推论有5个拉格朗日点,但只有两个是稳定的,即小物体在该点处即使受外界引力的摄扰,仍然有保持在原来位置处的倾向。每个稳定点同两大物体所在的点构成一个等边三角。

    发现/拉格朗日点 编辑

    地月拉格朗日点示意图地月拉格朗日点示意图

    18世纪法国数学家、力学家和天文学家拉格朗日在1772年发表的论文“三体问题”中,为了求得三体问题的通解,他用了一个非常特殊的例子作为问题的结果,即:如果某一时刻,三个运动物体恰恰处于等边三角形的三个顶点,那么给定初速度,它们将始终保持等边三角形队形运动。

    1906年,天文学家发现了第588号小行星和太阳正好等距离,它同木星几乎在同一轨道上超前60°运动,它们一起构成运动着的等边三角形。同年发现的第617号小行星也在木星轨道上落后60°左右,构成第2个拉格朗日正三角形。

    20世纪80年代,天文学家发现土星和它的大卫星构成的运动系统中也有类似的正三角形。人们进一步发现,在自然界各种运动系统中,都有拉格朗日点。

    原理/拉格朗日点 编辑

    拉格朗日点拉格朗日点
    三角形是最稳定的结构,由于物质的组成结构的不同会造成物质稳定性的不同,因此经过多方验证,证明等边三角形是三角形结构中最稳定的。

    由于拉格朗日点的作用不仅体现在宏观世界,也体现在微观世界,因此人们认识到凡是没有拉格朗日点构成的物质都是不稳定的。拉格朗日发现这种奇异点在天体运动系统中有5个,用字母L表示。L1、L2和L3在两个天体的联线上,为不稳定点。如一个物体在这些点上稍微挪动一下,就会离去,不再复位。L4、L5是稳定点。一个物体在此点上稍有移动,不会脱离,而是绕这个点作往返摆动,为此,它又称作拉格朗日平动点。

    事例/拉格朗日点 编辑

    拉格朗日点存在于双星系统、行星和太阳、卫星和行星 (或任何因重力牵引而相互绕行的两个天体) 的轨道面上。

    例如,超前和落后木星轨道60度的地方,各有一个拉格朗日点,如果有小行星在这两个拉格朗日点上,它会在此点附近振荡,但不会离开这些点,而特洛伊小行星 (Trojan asteroids) 就是位在这两个区域。而任何“双星系统”都有五个拉格朗日点。除了上面的两个点之外,另三个的拉格朗日点不很稳定,位在其他拉格朗日点上的小天体,稍受扰动就会离开它位置。

    5个点/拉格朗日点 编辑

    L1

    拉格朗日点示意图拉格朗日点示意图

    在M1和M2两个大天体的连线上,且在它们之间。

    例如:一个围绕太阳旋转的物体,它距太阳的距离越近,它的轨道周期就越短。但是这忽略了地球的万有引力对其产生的拉力的影响。如果这个物体在地球与太阳之间,地球引力的影响会减弱太阳对这物体的拉力,因此增加了这个物体的轨道周期。物体距地球越近,这种影响就越大。在L1点,物体的轨道周期恰好等于地球的轨道周期。太阳及日光层探测仪即围绕日-地系统的L1点运行。

    L2

    在两个大天体的连线上,且在较小的天体一侧。

    例如:相似的影响发生在地球的另一侧。一个物体距太阳的距离越远,它的轨道周期通常就越长。地球引力对其的拉力减小了物体的轨道周期。在L2点,轨道周期变得与地球的相等。 L2通常用于放置空间天文台。因为L2的物体可以保持背向太阳和地球的方位,易于保护和校准。威尔金森微波异性探测器就是围绕日-地系统的L2点运行。詹姆斯·韦伯太空望远镜被放置在日-地系统的L2点上。

    L3

    在两个大天体的连线上,且在较大的天体一侧。

    例如:第三个拉格朗日点,L3,位于太阳的另一侧,比地球距太阳略微远一些。地球与太阳的合拉力再次使物体的运行轨道周期与地球相等。 一些科幻小说和漫画经常会在L3点描述出一个“反地球” 。  

    L4

    在以两天体连线为底的等边三角形的第三个顶点上,且在较小天体围绕较大天体运行轨道的前方。  

    L5

    在以两天体连线为底的等边三角形的第三个顶点上,且在较小天体围绕较大天体运行轨道的后方。

    L4和L5有时称为“三角拉格朗日点”或“特洛伊点”。土卫三的L4和L5点有两个小卫星,土卫十三土卫十四。土卫四在L4点有一个卫星土卫十二。

    用途/拉格朗日点 编辑

    天体力学中,拉格朗日点是限制性三体问题的5个特解。例如,两个天体环绕运行,在空间中有5个位置可以放入第三个物体(质量忽略不计),并使其保持在两个天体的相应位置上。理想状态下,两个同轨道物体以相同的周期旋转,两个天体的万有引力提供在拉格朗日点需要的向心力,使得第三个物体与前两个物体相对静止。
    理性在太空闪光按照计划,美国国家航空航天局要对哈勃空间望远镜(HST)进行第5次维修。维修之后,人们估计它至少能够再工作5年。HST一时还不“退休”,“继任者”詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)只好在地面上再静候几年了。

    有趣的是,詹姆斯·韦伯空间望远镜将不像HST那样绕着地球公转,它的“工作地点”被定在太阳-地球系统的“第二拉格朗日点”(在地球背向太阳一面的150万千米处)。拉格朗日(1736—1813)怎么也想不到,他的“三体问题”研究成果,在发表200多年之后,屡次在人类的科学研究与航天工程中被引用。

    在双星系统、行星和太阳、卫星和行星 (或任何因重力牵引而相互绕行的两个天体) 的轨道面上,所特有的一些稳定点。例如,超前和落后木星轨道60度的地方,各有一个拉格朗日点,如果有小行星在这两个拉格朗日点上,它会在此点附近振荡,但不会离开这些点,而特洛伊小行星 (Trojan asteroids) 就是位在这两个区域。事实上,任何「双星系统」都有五个拉格朗日点。除了上面的两个点之外,另三个的拉格朗日点不很稳定,位在其他拉格朗日点上的小天体,稍受扰动就会离开它位置。

    “三体问题”研究成果被后人使用,JWST不是第一例。更早受到世界瞩目的是2001年升空的威尔金森宇宙微波各向异性探测卫星(WMAP),WMAP是继宇宙微波背景探索者卫星COBE之后的第二代宇宙微波背景探测卫星。人们感到好奇的,也是WMAP的定位:处于太阳-地球系统的“第二拉格朗日点”。

    让我们说一说,什么是“三体问题”?简单地说,就是“太阳-地球-小质量物体”,或者“太阳-木星—小质量物体”这样的“三个天体”的系统如何运行。说得详细一点,就是研究这样的问题:“太阳-地球”或者“太阳-木星”这些天体系统,如果有无限小质量的物体加入进来,那么在万有引力作用下,这些小物体会怎样运动?
    “三体问题中”最简单的一种类型,是“平面圆形限制三体问题”。拉格朗日求解这个问题,得到了5个特解:3个直线解和两个等边三角形解,只有两个等边三角形解是稳定解。如果小质量物体处在某一个拉格朗日点上,那么它所受到的太阳-木星(或太阳-地球)的引力,恰好等于它与太阳-木星(或太阳-地球)一起转动时所需要的向心力。这就是说,处在某一个拉格朗日点上,小质量物体就可与太阳-木星(或太阳-地球)的相对位置保持不变。

    有趣的是,“第一代卫星”HST和COBE都是绕着地球“公转”,“第二代卫星”JWST和WMAP都把位置定在太阳-地球系统的“第二拉格朗日点”。欧洲空间局的两颗卫星“赫歇尔”、“GAIA”也看好那个“地点”,计划到那里落户。

    在科学发展的历史上,跟“三体问题”有关的好玩故事还有不少。大约一百年前,1906年,德国天文学家马克思·沃尔夫发现了一颗奇异的小行星。它的轨道与木星相同,而不在通常所说火星轨道与木星轨道之间的小行星带里。最奇妙的是,它的绕日运动周期与木星相同。从太阳看去,它总是在木星之前60°运转,不会与木星贴近。这颗小行星被命名为“阿基里斯”,他是荷马史诗《伊里亚特》叙述的特洛伊战争中的希腊英雄。

    天文学家沙利叶敏感地意识到,小行星“阿基里斯”很可能是法国数学家拉格朗日“三体问题”的一个特例:只要小物体、大行星与太阳这三者形成一个等边三角形,这小物体和大行星就会永远同步地绕太阳旋转,它们永远不会相撞。

    果然,天文学家很快就在木星之后60°的位置上,也发现了小行星。迄今为止,在木星前后这两个拉格朗日点上,已找到700颗小行星。科学理论的预见何其美妙!后来发现的这些处在拉格朗日点上的小行星,都以特洛伊战争里的英雄命名。于是,这几百颗小行星,就有了一个“集体的”称号:特罗央群小行星。这个“特罗央”,实际上就是古希腊神话中小亚细亚的“特洛伊”城。

    不久前,法国空间研究中心的天文学家提出一个新设想,使得拉格朗日点将来可能获得新的用途:用作拦截危险小行星的布防点。法国科学家提出,捕获一些中等体积的“天体”,把它们“部署”到“太阳—地球”体系的五个拉格朗日点中的一个。发现对地球有危险的小行星以后,人们可以调用这些“天体”去拦截危险小行星。
    美妙的理论、美丽的图像、美好的应用,拉格朗日带给我们的兴趣是全方位的:理趣、情趣、志趣。这是我们对科学的全面的美感。[1]

    相关事件/拉格朗日点 编辑

    NASA月球空间站定点在地月拉格朗日点

    2012年11月20日,据国外媒体报道,美国宇航局计划在地球和月球的拉格朗日点上建设空间站。地月拉格朗日点处于地球和月球连线的延长线上,距离月球65000公里。由于处于该点的航天器还要受到太阳引力的干扰,实际运行轨迹非常复杂,形成了围绕地-月L2的晕轨道。处于地月拉格朗日点上的空间站能够为宇航员和工程师积累深空操作的经验,最终会确保人类脱离地月系统而探索更为广阔的宇宙空间。地月拉格朗日点上的空间站还能够作为维修大型天文望远镜的平台,并且由于地月拉格朗日点距离月球较近,因此还可以用来对月球上的地质勘探机器人进行实时遥控[2]

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2015-05-05
    [2]^引用日期:2012-11-20

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