太阳系中的“行星际超高速公路”

凭借行星的引力，勘探器能够在不运用燃料的情况下游历于太阳系。在曩昔的十年中，意在改善航天器轨迹的科学家在太阳系中发现了一种“底层”的构造。但它并不是英国物理学家牛顿所描绘的行星和卫星准确地绕太阳运动。相反，这一新的太阳系构造是一种由行星和卫星间引力刻画的杂乱而弯曲的“交通网”。在个交通网中任何东西--尘埃、陨石、小行星、彗星和航天器--都能垂手可得地在全部太阳系中运动。它被科学家们形象地称为“行星际超高速公路”。很多航天器现已走过了行星际超高速公路。它们包含了美国宇航局(NASA)的“来源”勘探器和威尔金森微波各向异性勘探器(WMAP)以及欧洲空间局(ESA)的SMART-1月球勘探器。不过，行星际超高速公路的速度本来并不高，比运用化学火箭所花的时刻要长得多，可是它省燃料。假如你情愿等待，那么这一更为绵长的旅途能够为你节约出勘探器上最最宝贵的东西--推动剂。这一起也意味着，科学勘探器能够以更低的本钱去往更悠远的当地，使得勘探太阳系中全新的目的地成为可能。

[图片说明]:借由每颗行星以及卫星之间的引力“通道”，勘探器能够在太阳系中飞翔得更远。行星际超高速公路为助航天器一臂之力，因而它们不必带着十分多的燃料。版权:Martin Lo/Caltech。轻松“搭车”对于传统的航天器而言，飞翔所需的燃料是其要害因素。详细而言，这取决于你想要去达的目的地有多远、想在那里呆多久以及勘探器要带着多少仪器。以目前太阳系中飞翔得最快、最远的“游览者”1号勘探器为例，它所带着的燃料占有了它初始质量的简直一半。虽然美国宇航局喷气推动实验室的科学家运用木星的引力助推将它加快送往了土星、随后又运用土星将其送出太阳系，可是“游览者”1号依然需求运用推动剂来对它的轨迹进行微调。对于盘绕轨迹器和着陆器而言，这一燃料疑问会变得更严峻。因为当它们抵达目的地的时分有必要运用燃料来大幅度地减小原有的速度。行星际超高速公路为此供给了一个处理方法。如今能够运用多颗行星和卫星的杂乱引力彼此作用来规划航天器的轨迹。由此发生的引力“通道”事实上可贯穿全部太阳系。运用行星际超高速公路，航天器能够去往太阳系中的任何一个当地。不管你是从行星或卫星的外表发射航天器，仍是从盘绕行星或许卫星的轨迹动身，只需控制妥当行星际超高速公路都能够把你终究送达任何你想去的行星或许卫星的外表抑或是盘绕这些天体的轨迹。假如给予满足的时刻，行星际超高速公路乃至还能够把勘探器送出太阳系。平衡点行星际超高速公路的核心思维来自天文学和数学的不相同分支。其要害之一即是，在任何两个彼此绕转的天体周围存在着引力的平衡点。对于任何一个这么的体系，引力会在这两个天体周围打造出5个平衡点。这其间有两个点十分安稳，它们能够捕获尘埃乃至是小行星(见《引力圈套中潜藏着地球杀手?》)。虽然其他的点是不安稳的，可是航天使命规划者们在几十年前就知道到，在这些点周围航天器能够以十分小的价值来维持它们的轨迹。早在18世纪，科学家们就发现了这些平衡点。瑞士数学家欧拉(1707年-1783年)发现了其间的前3个，别离被称为L1、L2和L3。这三个点排列于衔接两个彼此绕转天体的直线上。以后，法国数学家拉格朗日(1736年-1813年)发现了另外两个平衡点:L4和L5。它们坐落质量较小的那个天体的轨迹之上，别离在这个天体的前方和后方60°的当地。如今科学家们把一切这些点都称为拉格朗日点。

[图片说明]:以木星绕太阳的轨迹为例标识出的5个拉格朗日点，其间L1、L2和L3坐落木星和太阳连线上，L4和L5别离坐落木星轨迹前、后方60°的当地。在木星的L4和L5上集合有数千颗特洛伊型小行星。不安稳的选择置于L1、L2和L3的物体会在其周围“飘扬”并终究离去，因为这些点是不安稳的。可是，盘绕L4和L5的轨迹运动则会被捆绑在那里。最佳的比如即是在木星的L4和L5点上存在有大概2,500颗特洛伊型小行星。绝大多数科学家的爱好都会集在L4和L5。例如，1975年有人提出L5将会是持久太空殖民的首选地址。假如你想把某个东西捆绑在某个当地，那么安稳性是至关主要的。但假如你想畅游太阳系，不安稳的拉格朗日点则会更为风趣。恰是这一不安稳的特点能够使得哪怕一个小小的扰动就能对物体的轨迹发生重大的影响。1961年气象学家发现，即便初始条件只有十分细小的差异核算出的气候也会截然不相同，这种对初值的敏感性被称为“蝴蝶效应”。推而广之，世界上某个角落的一只蝴蝶扇动翅膀就可能会改动另一个当地的气候。而数学家们则发展出了描绘这些体系的“混沌理论”。恰恰是L1、L2和L3的动力学不安稳性使得它们成为了行星际超高速公路的穿插路口。在这些点邻近，航天器只需求悄悄一推就能够进入一条全新的轨迹。最难以置信的是，航天器完全能够借此先飞往这些拉格朗日点，然后盘绕它们，接着进入一条盘绕太阳的轨迹，最终再回来原地。描绘杂乱性规划行星际超高速公路的东西以及对混沌的现代数学描绘都源自法国数学家庞加莱(1854年-1912年)的作业。他其时的初衷是寻觅三体疑问的准确解，即三个天体在彼此引力作用下是如何运动的?他没有找到--至今也没有人找到。因为瞬息万变的杂乱彼此作用，三体疑问是一个极难处理的疑问。即便是对这个疑问进行化简，把一切天体的运动都约束在一个平面内而且疏忽其间一个天体的质量，它依然十分艰巨。不过庞加莱仍是找到了一种方法来描绘它的杂乱性。他发现相似的轨迹会构成一族。只需物体的能量不发生改变--例如推动器焚烧，它的轨迹就会永久归于这一族。庞加莱还发现了一些有关不安稳周期轨迹的风趣景象，坐落L1或许L2处的航天器正好就处于这类轨迹。这些轨迹包含了一类乃至能够在不需求改动轨迹能量的情况下就能向外运动的不安稳轨迹。而与此一起，它们还包含了一类能够捆绑住勘探器的安稳轨迹。这两类轨迹别离即是行星际超高速公路的进口和出口。

[图片说明]:ISEE-3的轨迹。版权:ISEE-3/ICE/NASA。居于拉格朗日点1966年行星际超高速公路“破土动工”，其时有人提出了运用盘绕地月体系L2点的轨迹。因为地月体系的L2点坐落月球反面一侧，因而在这么一条轨迹上的卫星能够用于月球反面和地球间的通讯中转。从地球上看去，这些轨迹就像是盘绕拉格朗日点的圆圈，因而被称为晕轨迹。几年后，美国宇航局向拉格朗日点发射了首个航天器。科学家们找到了一条路径把于1978年发射的世界太阳-地球勘探器3(ISEE-3)送入了盘绕日-地L1点的晕轨迹。这使得ISEE-3能够接连不断地观测太阳而且监测从太阳吹出的带电粒子流。虽然并不知情，但这是行星际超高速公路的初次测验。毫无疑问，ISEE-3盘绕日-地L1的晕轨迹归于安稳轨迹。但它本来也能够借由不安稳性脱离原先的晕轨迹。而这也恰是使命控制中心所做的。1982年当ISEE-3的主要使命完结以后，它又踏上了新的旅途。在盘绕日-地L2点的轨迹上飞掠了月球5次以后，它获得了满足的能量进入了一条盘绕太阳的轨迹。在完结了最终一次月球飞掠以后，ISEE-3更名为世界彗星勘探器(ICE)，它也于1985年9月成为了第一个直接研讨彗星的勘探器。与此一起，一个西班牙的科学家小组正在寻觅一种简略的方法来把太阳和太阳风层勘探器(SOHO)送入盘绕日-地L1点的晕轨迹。他们从头发现了庞加莱描绘轨迹的方法而且由此开发出了用于核算飞翔道路的东西。另一个疑问接二连三，从拉格朗日点延伸出的轨迹终究能抵达多远?哪里才是它们的止境?它们是不是有可能从一颗行星延伸到另一颗行星?“来源”的行星际高速之路尔后不久，美国宇航局就开端为对太阳风进行采样而且把样本送回地球的“来源”勘探器规划轨迹。2001年8月“来源”发射升空，3个月后飞抵日-地L1点。在它的推动器焚烧差不多5分钟以后，它进入了一条晕轨迹。到2001年12月，“来源”勘探器打开了它的搜集设备，开端对太阳风粒子进行采样。在接下去的30个月里它在这条晕轨迹上运行了5圈。2004年4月“来源”勘探器收起了它的样本收集设备，脱离晕轨迹，打道回府。在随后的5个月里，“来源”穿过地球运动到其后方，进入了一条盘绕日-地L2点的轨迹。这一看似毫无必要的迂回道路却把它的样本回来舱送上了一条能在白天着陆于美国犹他沙漠的轨迹。“来源”向世人证实，假如能合理的运用拉格朗日点以及由此构成的行星际超高速公路，那么能够大大地节约燃料。这一轨迹规划使得它能够主动脱离晕轨迹而且回来地球，更主要的是在这个过程中除了对勘探器的速度和方位进行导航微调以外不需求运用任何燃料。

[图片说明]:“来源”勘探器的轨迹。版权:Genesis/JPL/NASA。行星际“跳动”行星际超高速公路最令人兴奋的一点也许是，航天器能够借此垂手可得地从一颗行星转移到另一颗的引力规模以内。从每颗行星拉格朗日点动身的轨迹会像草坪上滚动的浇水器喷出的螺旋形水流相同向外延伸。因为这些轨迹是在行星穿行于太阳系中的时分发生的，因而它们和行星的相对方位也是固定的。当来自一颗行星的轨迹和另一颗的相交时，在这两颗行星间的低能量“跳动”就成为了可能。1996年科学家发现来自木星和土星拉格朗日点的轨迹每过几十年就会相交一次。进一步的研讨标明，一切的行星都是如此。运用这一体系，一个航天器、一块陨石、一颗彗星或小行星能够在数百年的时刻里从柯伊伯带迁移到小行星带，反之亦然。这些天体在太阳系中能毫不费力地自主导航才能实在解说了一些令人费解的景象。1943年，天文学家发现39P/奥特玛彗星的轨迹坐落木星的轨迹以内。木星绕太阳公转的轨迹周期是它的1.5倍(3:2共振)。但在1963年奥特玛彗星进入到了间隔木星1,500万千米的当地，并终究运动到了木星轨迹以外，轨迹周期达到了木星的1.5倍(2:3共振)。原来奥特玛彗星原先靠内涵轨迹就在太阳-木星L1点的边际，而它后来靠外的轨迹则会穿过太阳-木星的L2点。在全部过程中奥特玛彗星和木星间发生了屡次密近交会，就像“游览者”号相同凭借了木星的引力来助推。除此以外，它还运用了与此相关的共振轨迹。规划行星际超高速科学家们证实，任何两个拉格朗日点之间都存在相连的轨迹。这让很多行星际游览的热心者兴奋不已。天文学家们则正在运用软件来开发非常好的太阳系引力通道。这其间有很多特别的轨迹还没有被细心地研讨过。曾经科学家们一直在寻觅的都是“自在下落”轨迹，即仅仅考虑牛顿引力定律和行星以及卫星的运动。如今他们则希望归纳运用行星际超高速公路的“免费便车”和航天器的动力推动以此来取得非常好的作用。例如，一个勘探器能够运用传统的强力推动器快速抵达木星，然后再运用行星际超高速公路游历于木星不相同的卫星之间。而事实上，现已有人提出了相似的计划计划。行星际超高速公路的应用之一即是在地-月的L1点上缔造一个空间站作为交通枢纽。将来的空间望远镜将会是那里抱负的访客。它能够方便地在接近月球L1点的当地被缔造，竣工以后再经过行星际超级高速抵达日-地的L2点。在那里这架望远镜会对准和太阳以及地球相反的方向，因而它的视野将不会遭到这两个天体的搅扰。以后，假如它需求修理或晋级，那么只需推动器悄悄一推它就能够经过行星际超高速公路回到坐落地-月L1点的服务站。运用相同的原理，去往更为悠远的目的地也是可能的。这个空间站将是载人或许机器人勘探使命去往小行星、火星、巨行星以及更远方针的绝佳中转站。牛顿为太阳系建立了秩序，庞加莱则以混沌治之。运用300多年来引力研讨所带给咱们的深入知道，行星际超高速公路将会使得人类比10年前任何人所能幻想的更为频频、快速、彻底地进入太空。