Ранее в нескольких статьях я пытался рассуждать, почему при существующем уровне развития технологий колонизация других планет кажется от чрезвычайно опасной до бессмысленной при любом уровне технических и финансовых вложений. Можно допустить создание долговременных баз на Марсе, а также приближение марсианских условий к земным по плану Джеймса Грина, описанному на Хабре здесь в блоге компании ItSoftWeb. Тем не менее, колонизация Марса, Венеры и Титана  — это крайне несхожие проекты, а у нас пока даже с колонизацией континентальной Антарктиды масса проблем. Зато мы умеем строить орбитальные станции, поэтому колонизация открытого космоса пока выглядит даже более перспективной, чем любое «мягкое терраформирование», граничащее с экологической катастрофой для того мира, в гомеостаз которого мы попробуем вмешаться.

Как я писал ранее, орбитальные станции вполне могут быть модульными и практически неограниченно достраиваться. Если такие технологии удастся развить, то едва ли не менее перспективными для долговременных космических поселений окажутся не планеты и спутники, а точки Лагранжа. Ниже поговорим о них подробнее.

Точки Лагранжа – это феномен небесной механики; также они называются «точками либрации». Они возникают из-за того, что в системе звезды и гораздо более мелких тел (спутников, планет, астероидов) любое обращение происходит не вокруг звезды как таковой, а вокруг общего центра масс. Несмотря на то, что в системе «Солнце – Земля» этот центр масс почти совпадает с самим Солнцем, в любой такой системе формируется ровно пять точек, в которых взаимное притяжение двух тел гасит друг друга, и достаточно мелкий объект (размером с десятки астероидов или большой город) может обращаться вокруг центра масс примерно с той же угловой скоростью, что и два массивных тела. В результате относительно двух этих объектов он останется практически неподвижен.   

Небесная механика точек Лагранжа

Центробежные силы возникают из-за того, что объект, придя в движение, стремится двигаться по прямой, а не по кругу. Вычисление центробежных сил — важный аспект решения «задачи трёх тел», над которой в конце XVII веке работал Жозеф Луи Лагранж. На Хабре есть подробнейшая статья уважаемого @belch84 «Задача трёх тел (не китайская нефантастика)», описывающая в контексте задачи трёх тел различные траектории космических аппаратов в системе «Земля – Луна». О существовании точек с таким орбитальным равновесием впервые догадался не Лагранж, а Леонард Эйлер. Он писал о «коллинеарных точках», которые расположены на одной линии и являются тремя из пяти точек Лагранжа. В системе вида «Солнце-Земля-Луна» насчитывается пять точек либрации.

Первая точка Лагранжа (L1) находится примерно на полпути между Землёй и Луной, но чуть ближе к Земле, поскольку Земля массивнее Луны. Если бы в этой точке находилась космическая станция, она повторяла бы фазы Луны, то есть, месяцы на ней были бы синодическими. Притом, что все орбитальные силы в точке Лагранжа обнуляются, это равновесие зыбкое. Если тело, будучи в точке Лагранжа, отклонится влево или вправо, то общее притяжение Земли, Луны и Солнца быстро вернёт его на место. Однако, если оно хотя бы немного сдвинется в сторону Земли или Луны, то притяжение планеты или спутника соответственно возобладает, и конструкция с ускорением упадёт на Землю или Луну.

Вторая и третья точки Лагранжа (L2 и L3) также расположены на прямой линии, соединяющей Землю и Луну, но L2 находится далеко за обратной стороной Луны, а L3 — на таком же расстоянии по другую сторону от Земли, то есть, в противоположном направлении. В этих двух точках взаимно обнуляются три силы: притяжение Луны, притяжение Земли и центробежная сила.

Насколько мы можем судить, точки L2 и L3 гораздо «шире», чем L1. В случае «соскальзывания» в сторону от точки L2 или L3 это легко было бы зафиксировать и включить двигатели, которые вернули бы аппарат или станцию в стабильное положение. Диаметр точек L2 и L3 составляет порядка 800 000 километров у каждой.

Тогда как точки L1, L2 и L3 можно считать условно стабильными, гораздо перспективнее выглядят точки L4 и L5. Обе они находятся в плоскости орбиты Земли и вращаются вместе с Землёй. Одна из этих точек обгоняет Землю на 60°, а другая запаздывает от неё на 60°. Вместе с Землёй эти точки находятся в вершинах двух равносторонних треугольников, вершинами каждого из которых являются Солнце, Земля и одна из точек Лагранжа. Вот как это проиллюстрировано в статье на сайте "Постнаука":

Как я ранее упоминал в статье «Астроинженерная фантазия о коорбитальных планетах», в точках Лагранжа L4 и L5 могли бы расположиться ещё две такие же планеты, как Земля, и, теоретически, подобную конструкцию можно было бы даже создать искусственно. Но, если буксировка планеты в заданную точку орбиты – это пока научно-фантастический сюжет, нет принципиальных препятствий, которые не позволяли бы расположить в точке Лагранжа орбитальную станцию.

Ньютон сформулировал законы тяготения и небесной механики в конце XVII века, обобщив и переосмыслив законы Кеплера. Одной из наиболее известных проблем небесной механики является гравитационная задача N тел, а также её частный случай – задача трёх тел. Она описывает гравитационное взаимодействие трёх тел в условиях взаимного притяжения и, естественно, применима к любым телам в точках Лагранжа. Задача трёх тел в общем виде была полнее всего исследована Анри Пуанкаре в конце XIX века, и Пуанкаре счёл, что общего решения она не имеет. Действительно, пока в общем виде задача трёх тел решена не математически, а только статистически. Частные решения для задачи трёх тел нашёл Леонард Эйлер в 1765 году. В задаче трёх тел мы имеем дело с системой координат для совместно вращающихся тел.

Показанная здесь система координат для совместно обращающихся объектов позволяет прослеживать перемещение точек Лагранжа относительно друг друга и относительно самих трёх тел.

Точные решения, предложенные Эйлером, позволяли определить положение точек L2 и L3. Поскольку L3 относительно Земли всегда находится по другую сторону от Солнца, в разное время существовали уфологические гипотезы о существовании «Контр-Земли» в этой точке – планеты, не менее пригодной для обитания, чем сама Земля, но надёжно скрытой от астрономических наблюдений. Такие представления были окончательно развенчаны лишь в ходе развития коронографов, но подтолкнули научный поиск в правильном направлении. По-видимому, крупные объекты не могут надолго задерживаться в точке L3, а вот точки L4 и L5 в перспективе очень пригодились бы нам для обустройства долговременных космических баз.

L4 и L5

В общих чертах создание долговременной колонии в точке Лагранжа уже сегодня не кажется нереализуемой. Если будет освоена добыча полезных ископаемых на астероидах, то нужные для разработки тела можно будет буксировать не к Земле, а в точку Лагранжа. Поскольку естественной гравитации там нет, на этапе строительства станции можно будет закладывать огромные конструкции (диаметром десятки километров), практически не учитывая сопротивления материалов. Искусственную гравитацию, аналогичную земной, на станции можно будет создать уже после её готовности, раскрутив такую конструкцию вокруг своей оси.

Такие проекты на стыке футурологии и научной фантастики озвучиваются с 1960-х годов. По-видимому, идею разместить крупную рукотворную структуру в точке либрации впервые высказал в 1961 году Артур Кларк в романе «Лунная пыль». При этом он рассматривал колонизацию точки L1. В 1945 году он впервые рассчитал точку, в которой можно было бы разместить такой искусственный спутник Земли, который совершал бы суточный оборот вокруг Земли за 24 часа и, соответственно, совпадал бы по этому показателю с самой планетой. Он описал этот проект в статье «EXTRA-TERRESTRIAL RELAYS Can Rocket Stations Give World-wide Radio Coverage?», рассматривая подобную станцию как радиолокатор, а не обитаемое поселение. Действительно, подобная орбита существует чисто математически. Например, международная космическая станция совершает оборот вокруг Земли примерно за полтора часа, а объект около Луны совершал бы примерно за месяц. По расчётам Кларка, «24-часовой оборот» совершал бы объект, расположенный на высоте около 38 000 километров над поверхностью Земли. Это и есть геостационарная орбита, на 2021 год на ней находилось около 500 действующих спутников.

 В 1975 году энтузиасты космонавтки Кит и Кэролин Хенсон основали «Общество L5». Эта организация быстро приобрела известность благодаря тому, что ею заинтересовался физик из Принстонского университета Джерард О’Нил, полемизировавший на тему создания цилиндрических космических поселений.

В уставе «Общества L5» было объявлено о том, что организация должна быть распущена на общем собрании членов на космической станции L5 — тем самым было бы признано, что миссия Общества выполнена. В 1987 году «Общество L5» влилось в состав Национального института космонавтики США.

Сегодня освоение точек Лагранжа L4 и L5 интересует преимущественно телекоммуникационные компании. Также эти точки являются приоритетными форпостами в случае появления космического оружия. Спутники, расположенные в L4 и L5, могли бы передавать сигнал одновременно и на Землю, и на Луну. Точки Лагранжа — более спокойные места, чем даже геостационарная орбита, в них не так строги требования к удержанию станции в точке стояния. Кроме того, уже сейчас на геостационарной орбите становится слишком тесно, поэтому в течение XXI века развёртывание новых спутников придётся начать в точках Лагранжа — хотя бы в L1. В настоящее время L4 и L5 рассматриваются как районы размещения систем по позиционированию, навигации и синхронизации (PNT), а также платформ для патрулирования геостационарной орбиты  (SSA). Кроме того, в L4 и L5 можно было бы устанавливать космические обсерватории для раннего оповещения о магнитных бурях и о приближении астероидов.

Естественно, такая гравитационная стабильность привела к тому, что в точках Лагранжа уже сейчас полно космического мусора (естественного происхождения). На геосинхронной орбите из-за взаимного притяжения действующих и отработанных спутников уже сейчас возникают так называемые «геопотенциальные колодцы». Аналогичный феномен наблюдается и в точках L4 и L5, потому, что в этих районах скопилось множество мелких камней, космической пыли и осколков астероидов. Ранее на Хабре об этом упоминал уважаемый @Albireo сравнивший точку Лагранжа с «космической липучкой для мух». Современные телескопы позволили выявить скопления естественного космического мусора в точках L1, L4 и L5, названные «облаками Кордылевского» в честь польского учёного Казимежа Кордылевского, спрогнозировавшего их существование в 1956 году. Однозначно подтвердить существование таких облаков в точках L4 и L5 удалось только в 2018 году. Подтверждение было получено в частной венгерской обсерватории под руководством Юдита Слиз-Балога — это означает, что у Земли есть не менее двух пылевых спутников около 10 000 километров в поперечнике каждый. Облако в районе L5 выглядит стабильным и древним, но проанализировать примерный размер осколков в нём пока сложно, так как облака очень тусклые. С одной стороны, такие облака могут быть очень опасны для долговременных станций в точках Лагранжа. С другой стороны, подобные облака должны облегчать поиск точек Лагранжа поблизости от других планет Солнечной системы, и поэтому заслуживают дополнительного изучения. По-видимому, такие облака сформировались в системах Солнце-Нептун (троянские астероиды Нептуна) и Солнце-Марс (троянские астероиды Марса).

Что сейчас находится в точках Ланранжа

Список объектов, находящихся в точках Лагранжа приведён в Википедии. Пока осваиваются только ближайшие к Земле точки (L1 и L2), но здесь остановлюсь на них подробнее. В настоящее время в точках Лагранжа в системах Земля — Луна и Земля — Солнце накапливается внушительный набор оборудования, и искусственные спутники в этих районах явно более заметны, чем космическая пыль. Итак.

В точке L1 находятся:

• Солнечная и гелиосферная обсерватория (SOHO, ESA), выведена в L1 в 1996 году

• Advanced Composition Explorer (ACE, NASA) – аппарат для исследования солнечного ветра и прочих высокоэнергетических частиц, выведен в L1 в 1997 году

• Аппарат «Wind» (GGS, NASA), находился на орбите вокруг L1 в 1996 году, затем маневрировал для выхода из плоскости эклиптики, в 2004 году благополучно вернулся в L1

• Климатическая обсерватория «Дискавери» (DSCOVR, NOAA), предназначенная для космических метеорологических наблюдений и впервые позволившая получить фотографию полной Луны на фоне полной Земли

• Индийский спутник Адитья-L1 (ISRO)

К ним должна присоединиться космическая обсерватория IMAP, запуск которой намечен в сентябре 2025 года, а также аппараты SWFO-L1 и NEO Surveyor, которые должны начать работу в 2027 году. Научные задачи этих аппаратов — космическая съёмка Земли, изучение солнечного ветра, наблюдение за земной погодой из космоса. При этом большинство аппаратов не являются стационарными, а обращаются вокруг точки Лагранжа по орбите в форме фигуры Лиссажу. Такое движение позволяет не только увеличить область обзора спутника, но и справиться с гравитационной нестабильностью, из-за которой объекты постепенно выскальзывают из околоземных точек L1-L3.

Подробнее о движении по орбитам Лиссажу рассказано здесь.

В точке L2 между Солнцем и Землёй сейчас находятся:

• Космическая обсерватория Gaia (ESA)

• Астрофизическая обсерватория Спектр-РГ для анализа рентгеновского и гамма-спектра (российско-немецкий проект)

• Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST, NASA, ESA, CSA)

• Космический телескоп Евклид (ESA), предназначенный для поисков тёмной материи и тёмной энергии

Кроме того, эти аппараты сейчас дают массу информации о движении комет и открывают экзопланеты.  

Перспективы

Точки Лагранжа L4 и L5 пока целенаправленно не осваиваются. Мимо них проходили траектории космических аппаратов «OSIRIS-Rex» и «Хаябуса». Европейское космическое агентство планирует в 2031 году запустить аппарат Vigil, который будет выведен в точку Лагранжа L5. Он должен будет наблюдать за солнечными факелами, корональными выбросами массы на Солнце, геомагнитными бурями и прочими явлениями гелиофизики. Также остаётся актуальной перспектива развёртывания релейных передатчиков в точках Лагранжа, о чём я упоминал выше.

В 2012 году озвучивались планы NASA по развёртыванию пилотируемой космической станции в точке L2. Станция имела рабочее название «Gateway Spacecraft», и о ней подробно рассказано здесь. Для привлечения внимания покажу лишь её общий вид:

Поскольку точка L2 расположена за обратной стороной Луны, предполагалось, что такая станция могла бы упростить наблюдение за не видимым с Земли лунным полушарием, помочь с исследованием астероидов и послужить перевалочным пунктом на пути к Марсу. Тем не менее, проект сейчас выглядит заброшенным, так как при нынешнем уровне развития техники было бы сложно обеспечить снабжение такой станции, а буксировка астероидов к станции или к Земле остаётся в области фантастики как с научной, так и с промышленной точки зрения. Более вероятно, что первая лунная обитаемая станция будет построена на самом спутнике, а не близ его орбиты.

Несмотря на все сложности, точки Лагранжа кажутся наиболее удобными форпостами для освоения Солнечной системы — вероятно, только для беспилотного. Точки L4 и L5 находятся далеко за пределами земной магнитосферы, поэтому их обитатели-колонисты при нынешнем уровне техники оказались бы беззащитны перед потоками солнечного ветра. Кроме того, солнечные вспышки могли бы надолго обрывать связь с такими дальними колониями, что с высокой вероятностью ставило бы крест на их работе. Но точки Лагранжа в любой системе планет или спутников — это тихие гавани с хорошо известными и прогнозируемыми свойствами, поэтому можно не сомневаться, что осваивать их будет проще, чем планеты или спутники. Особенно интересны многочисленные точки Лагранжа, которые должны существовать между спутниками планет-гигантов; именно из них и было бы наиболее удобно изучать Юпитер и Сатурн.