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《科技潮》

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拉格朗日点 理性在太空闪光

2009-12-19 21:01:38

  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。

  “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”。

  现在,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。

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