Давно и хорошо известно скопление сравнительно небольших небесных тел, орбиты которых расположены между орбитами Марса и Юпитера. Это так называемый пояс астероидов. Правда, с открытием пояса Койпера и облака Оорта, его стали называть главным поясом астероидов.
Астероиды, и такие крупные как Веста, Церера, Эрот или Паллада, и куски камня диаметром в несколько метров, вращаются вокруг Солнца по орбитам с радиусами примерно от 2,1 до почти 4 астрономических единиц (а.е.). Напомним, одна астрономическая единица равна расстоянию от Земли до Солнца – 150 миллионов километров.
Однако в самом начале двадцатого века был открыт астероид не вписывающийся в правила. Он двигался по той же самой орбите, что и Юпитер, опережая его относительно Солнца на 60°. Так было подтверждено, что среди малых небесных тел нашей звёздной системы существуют объекты, движущиеся, словно на поводке, за планетами, или «троянские астероиды».
Таинственные «Точки Лагранжа»
За последние десятилетия астрономия сделала значительные шаги вперёд. Выведенные за пределы атмосферы на земную орбиту телескопы, мощнейшие суперкомпьютеры заняли своё место в строю. Однако одна физико-математическая задача до сих пор остаётся нерешённой – расчёт движения трёх гравитационно взаимодействующих друг на друга тел. Никем из учёных до сих пор не предложен способ расчёта орбит трёх тел на более-менее продолжительный период.
Единственным математиком, добившимся некоторого успеха на данном поприще, стал француз Жозеф Лагранж. В конце 18 века им были рассчитаны законы вращения трёх небесных тел с той только оговоркой, что одно из них должно обладать пренебрежимо малой массой по сравнению с остальными двумя. Расчёты Лагранжа доказывали, что существуют такие области, точки пространства, в которых гравитационное воздействие обоих массивных тел уравновешивается. И третье (лёгкое) тело, находясь в этих точках, может оставаться почти неподвижным относительно двух тяжёлых.
Точки Лагранжа
Как это возможно? Рассмотрим для примера точку L1 на схеме. По Ньютоновским законам небесной механики, тело, расположенное ближе к Солнцу чем Земля, должно двигаться по орбите быстрее и «улететь» вперёд. Почему же этого не происходит, и тело кружится вместе с планетой? Да потому, что Земля, притягивая объект, как будто уменьшает для него силу солнечного притяжения (Солнце «кажется» объекту менее массивным). А вокруг более лёгкого центра спутник будет вращаться медленнее.
По другим, схожим схемам, так же безотказно работают законы физики и в отношении других точек Лагранжа.
Открытие и название
Первый троянский астероид был обнаружен в 1904 году в точке L4 орбиты Юпитера. Как водится, название его было заимствовано из древнеэллинского эпоса. Небесное тело получило имя героя легендарной Трои – «Ахилл». Затем, один за другим были открыты ещё целых двадцать астероидов на орбите планеты-гиганта.
Открытие не было неожиданностью для исследователей, проверить теорию Лагранжа силились многие астрономы, вопрос стоял только лишь в технических возможностях, которыми они располагали. Как и предполагалось, все открытые тела находились в точках L4 и L5 орбиты Юпитера.
И все имена, вслед за Ахиллом, им давались в честь героев Троянской войны: Аякс, Гектор, Диомед, Патрокл и т.д. В точке L4 «поселились» воины атакующей, Греческой стороны, а в точке L5 обосновались троянцы. Так за всеми позднее открытыми подобными объектами, в том числе на орбитах других планет, закрепилось название «троянские астероиды».
Долгое время большая часть учёных сомневалась в возможности существования троянцев у малых планет, таких как Земля или Марс. Ведь на такой астероид помимо самой планеты и светила будут оказывать существенное гравитационное воздействие и другие массивные тела Солнечной системы, и устойчивость объекта в точках Лагранжа малой планеты оказывается под сомнением. Однако в 1990 году был обнаружен астероид в точке L5 Марса, получивший название «Эврика».
Чемпионом по количеству троянских астероидов ожидаемо является Юпитер, как самая большая и массивная планета Солнечной системы. На сегодняшний день достоверно известно о более чем шести тысячах «троянцев» на его орбите. На порядок меньше троянских спутников обнаружено у других больших планет: Урана, Нептуна и Сатурна. И виной этому не только их масса, меньшая по сравнению с Юпитером, но и соседство этого газового гиганта. Юпитер, благодаря своей огромной массе, легко ворует чужие астероиды, или выбивает их из точек Лагранжа, отправляя вращаться вокруг звезды по собственным эллиптическим орбитам, а то и вовсе, словно праща, вышвыривает за пределы Солнечной системы.
Троянские астероиды Земли
Очень долгое время никак не удавалось обнаружить троянские астероиды у нашей родной планеты. Всё дело в том, что точки L4 и L5 Земли практически постоянно оказываются расположенными, для наблюдателя, находящегося на поверхности планеты, на дневной стороне и солнечный свет препятствует наблюдениям.
Вопрос сорвался с мёртвой точки в 2010 году благодаря запущенному в космос орбитальному телескопу «Wise». Был открыт первый, и пока единственный, троянец планеты Земля 2010ТК7. Он находится в точке Лагранжа L4. 2010ТК7 представляет собой ничем не примечательный кусок скалы неправильной формы диаметром около 300 метров, каких в космическом пространстве вращается огромное множество.
Практическое применение
Использовать свойства троянских астероидов в будущем учёные предлагают по-разному. Так, например, использовать точку L2 в системе Солнце-Земля можно для размещения в ней орбитального телескопа. Такая наблюдательная станция, постоянно находясь в тени планеты, будет в более выгодном положении, чем орбитальные. Удобнее будет проводить и длительные наблюдения за определённым участком неба благодаря отсутствию вращения вокруг Земли.
Точка L1 может стать хорошим местом дислокации станции для постоянного мониторинга светила. Своевременно засечь увеличение солнечной активности, предупредить наземные службы о приближающемся солнечном выбросе плазмы. Всё это можно будет сделать своевременно с помощью научного аппарата, находящегося на первом «рубеже».
А уж грядущее освоение Луны наверное будет немыслимо без больших промежуточных космических станций, висящих в пространстве между нашей планетой и её естественным спутником. Аппараты, расположенные в точках Лагранжа системы Земля-Луна как нельзя лучше могут справиться с такой задачей.
