拉格朗日点 | CosmoScape | 星空天文网

2014年7月22日

太空中有一些特殊的点，它们可能是行星际探索的关键。

作者：Elizabeth Howell

插图：Rebecca Mock

原载：nautil.us

翻译：老孙

人类的探险史通常都与寻找目的地联系在一起。太空旅行也是一样：阿波罗计划把人类送上了月球，但它不仅仅是科学和技术方面的成就，同时也是在练习如何插旗子和留脚印。现在正在酝酿的一些建议或将开启一些新的任务，它们将前往浩瀚宇宙中一些空无一物的所在，因为那里有着非常特殊的属性。

拉格朗日 － 图片来源：维基百科

在每个围绕恒星运行的行星，或者围绕行星运行的卫星系统中，都有5个这样特殊的点，它们排列在一个形如满弓的几何图形上。在这些点上，引力场和天体自转离心力刚好抵消。这些隐藏的平衡点是引力空白区，被称为“拉格朗日点”。它们是以法籍意大利数学家约瑟夫－路易斯·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）命名的，1772年拉格朗日曾试图证实在地球太阳间存在这样两个点。

假如一颗卫星或小行星刚好进入拉哥朗日点附近的区域，它就会像一个打在绳上的结一样，与其它两个天体保持相对静止。这个被俘获的天体保持在原处时只会损失极少的能量。如果这是一艘宇宙飞船，那它就只需要极少的燃料即可保持停留，不必像常规轨道上那样不停地消耗燃料，来修正大气摩擦产生的阻力导致的轨道偏差。

拉格朗日点 – 维基百科

在这幅动图中，你可以看到在木星周围，聚集在L4和L5处的蓝色的小行星。

“拉格朗日点”这个名字可能稍稍有点不妥，因为不同的点拥有的特点和稳定性都不同。恒星与行星可以被视为引力井；而拉格朗日点就像一座山峰。以地球－太阳这个天体系统为例，L1（1号拉格朗日点）位于地球朝太阳方向将近100万英里处，它是个不稳定的点。位于此处的天体很容易失去平衡，就像放在山顶上的一只球一样，来自两边天体的引力会不断拉扯此处。要想保持在此处，就需要火箭的反推。L2和L3则一个位于地球的远端，一个位于太阳的远端，它们比较稳定，就像顶部平坦的高原。而L4和L5则最为安全，它们分别位于地球轨道的前方和后方60度处。静止在此处的天体不会脱出；它就像一个深深的火山口。

这些隐藏的平衡点是引力空白区。

我们对这些不可见空间区域的利用才刚刚开始，它们可以被用于载人航天、建造天基发射平台、安置敏感的天文望远镜，甚至可以成为探索太阳系边界旅程中的驿站。

欧空局的盖娅（Gaia） – ESA

2013年9月，欧空局发射的“盖娅（Gaia）”空间望远镜就位于地球与太阳间，距离地球约932000英里的的L2拉格朗日点。远离地球大气影响和太阳干扰的盖娅搭载有敏感的仪器，与常规轨道相比，它待在拉格朗日点是个更好的选择。由于它也将一直保持在地球的“夜”面，因此观察宇宙也会有更好的视线。盖娅并不是首个前往地-日L2点的航天器。事实上，就如同2012年4月，中国的嫦娥2号探测器一样，欧空局的赫歇尔空间天文台也在L2停留了4年，随后才脱出。这些空间探测器并没有在L2保持静止，而是围绕着这个点进行摆动式飞行。

而更具挑战性的想法是将拉格朗日点作为深空殖民的稳定立足点。在理论上，可以按照未来地球上的规则，将建造所需的材料发射到拉格朗日点，而不用担心物资损失和漂走。在这样的太空里进行建造和补给，比在常规轨道上要容易得多。

NASA已经开始调研在距地球约4万英里的地-月L2拉格朗日点设置载人空间站的可能性，这个点在月球的远端，比以往人类到过的最远太空要远。去年，NASA的工程师，前沿推动高级概念办公室（boundary-pushing Advanced Concepts Office）的承包商Brand Griffin，在公之与众的演示文稿中建议，调整部分现有火箭系统，用以在L2点打造一个舒适的空间站。这个名为“天空实验室II”的计划沿续了美国1973-1979年间第一个地球轨道空间站的名字。“我认为我已经发现，对NASA来说的远见应该是什么。你得向以前看齐，而这就是向以前看齐的一大步——虽说实际上已经相隔了40年。”Griffin说。

Griffin提议NASA将天空实验室II所在的拉格朗日点当作执行更遥远太空任务的前哨站。与从地面发射火箭不同，从拉格朗日点发射的航天器不需要克服行星的引力，因此也不需要大量的燃料。与之相反，它们可以在拉格朗日点之间几乎毫不费力地沿着一条高效的引力路径滑行，有人戏称这样的路径为“行星际高速公路”。

由于拉格朗日点或多或少的不稳定性，在理论上，可以将从中“脱出”的航天器置于一条前往另一个格拉朗日点的轨道上。曾经在美国国家航空航天博物馆举行了“时间和导航”展的Smithsonian博物馆馆长、地理学家Andrew Johnston说：“这些可能不是最快的路径，但却是最节省能源的。”他将此比喻为船舶在海洋中循着洋流行驶，如果不赶时间的话，这就是一个节省燃料的选择。

Genesis 探测器 – JPL

而这些点本身也可以成为深空引力通道网中的加油站或修理厂。“拉格朗日点很适合设置工厂，并可以从小行星转运原材料，”JPL的飞船轨道专家Martin Lo说。他是2001年NASA“创世纪（Genesis）”计划的幕后智库成员，该计划利用了地-日L1和L2点间存在的低能通道收集了太阳风物质样本。“假如我们能够将空间站设置在这些低能‘轨道’中的一个上，”Lo继续说，“我们实际上就有能力前往以地球为中心2百万公里直径球体范围内的任何地点，并且几乎不需要燃料。”

但是要在拉格朗日点之间旅行需要花费几周、几个月，甚至很多年，Lo提醒说。举例来说，通过“行星际高速公路”在土星和木星间旅行需要花费大约100年时间；NASA使用燃料火箭的旅行者1号在1979-1980年间，用了21个月完成了这段旅程。即使对于时间可控的近地引力通道而言，慢速的空间旅行之于脆弱的人类来说也不是一个好主意，与低轨道相比，它会增加深空中人类暴露在宇宙射线和太阳辐射中的风险。

此外，即便用今天的计算机，要想在三维的空间中绘制出拉格朗日通道也是一件困难的事，原因很简单，因为它们很复杂。Lo指出，这些高速公路遵循的是神秘的混沌理论，因此航天器在速度和方向上只要有几分钟的误差就会影响到它穿越太阳系的路径。规划出航天器沿着重力漂移的确切路径可能超出了我们的能力。

举例来说，通过“行星际高速公路”在土星和木星间旅行需要花费大约100年时间。

尽管从拉格朗日点出发很便宜，但我们要到它那里却是相当昂贵的。假设如天空实验室II的支持者所愿，向地-月L2发射火箭，那每次发射就要花费20亿美元。这情况与用航天飞机飞行115次组装国际空间站不一样，Griffin说。宇航员没有办法快速地回到地球，而且空间站的补给也会变得昂贵和稀少。

人类若是居住在拉格朗日点也会面临更多的健康风险，天文学家Phil Plait说，他曾为Slate写过“糟糕的天文学”博客文章。正如针对接近无重力条件轨道上的宇航员的研究表明，人类的生存需要引力，但这是拉格朗日点所没有的东西，因此骨骼和肌肉会出问题。也许可以制造围绕着轴心旋转的巨型空间站来产生人造引力，但是这个方案的可行性还值得商榷。此外，在“行星际高速公路”上，“辐射也是一个大问题，”Plait说。

还有一个障碍是探索带来的副产品，敏感而顽固。正如德克萨斯州大学奥斯汀天文学分部的研究员Dan Lester所言，“那里现在什么都没有，那我们为何要去拉格朗日点呢？”他问道，描述着对这类深空任务的反对意见。古人在平原上徘徊寻找领土和寄托；早期现代欧洲人越过大洋寻找“新大陆”。现在，游客跨越大洲来看比萨斜塔或者在澳洲潜水观赏大堡礁。“探索的历史画卷总是要将脚印留下，”Lester补充说。“这意味着要去一个由岩石形成的岛屿或大洲。必须是岩石，必须是你可以站在上面的地方。”感谢这个过时的意见，Lester认为拉格朗日点其实空无一物，在许多方面并不像是一个“真实”的地方。

好奇号的机械臂。背景为火星上的“黄刀湾”和“夏普山” – JPL

他指出，如果将拉格朗日点作为“遥控探测”的目的地，我们就可能会克服这些偏见：即将其作为远程遥控位于行星表面机器人的基地。“遥控机器人的手掌和手指远比穿着宇航服的宇航员来得灵活，”Lester说。“如果你想要捡起一块石头然后把它翻过来，并且需要划开它的表面，那遥控机器人要比戴着厚厚手套的宇航员来得容易。”将有人飞船设置在拉格朗日点可以允许在天体显著的表面上方保留一个点，并且与行星表面类似好奇号的巡视器保持不间断的联系。不幸的是，根据Lester所说，这对火星似乎行不通：这个行星的卫星太小，火星与火卫间的拉格朗日点非常微弱，而火星-太阳间的拉格朗日点对于遥控探测来说又太远。

并不是一定要找到一个点然后留下自己的印记才算是探险。倡导拉格朗日点旅行的人认为它还应包含前往未知领域的冒险——无论是在海洋，还是在深空——这是对知识的渴求。正如19世纪探险家绘制洋流地图以求对全球的了解，寻找连接拉格朗日点的通道也可以帮助我们找到自身在太阳系内的位置，并在我们内心驯服它的浩瀚。一旦我们找到连接地球-月球，或地球-太阳间拉格朗日点的通道，那么就会增强我们的自信心，这将引导我们开启更为大胆的航程——前往火星，或更远。