Điểm Lagrange là gì?

Điểm Lagrange là một vị trí trong không gian tại đó lực hấp dẫn tổng hợp của hai vật thể lớn, ví dụ Trái đất và Mặt trời hoặc Trái đất và Mặt trăng, bằng với lực li tâm chịu bởi một vật thứ ba nhỏ hơn nhiều. Tương tác của các lực tạo ra một điểm cân bằng tại đó phi thuyền vũ trụ có thể “neo đậu” để tiến hành các quan sát.

Những điểm này được đặt theo tên Joseph-Louis Lagrange, nhà toán học thế kỉ 18 đã viết về chúng trong một bài báo năm 1772 nói về cái ông gọi là “bài toán ba vật”. Chúng được gọi là các điểm Lagrange và các điểm bập bềnh.

Các điểm Lagrange của hệ Mặt trời – Trái đất. Ảnh: NASA

Cấu trúc của các điểm Lagrange

Có năm điểm Lagrange xung quanh các vật thể lớn như một hành tinh hay một ngôi sao. Ba trong số chúng nằm trên đường thẳng nối liền hai vật thể lớn. Ví dụ, trong hệ Trái đất-Mặt trời thì điểm thứ nhất, L1, nằm giữa Trái đất và Mặt trời, cách Trái đất khoảng 1 triệu dặm. L1 có góc nhìn Mặt trời liên tục, và nó hiện là chỗ neo đậu phi thuyền Đài quan sát Mặt trời và Quang quyển (SOHO) và Đài quan sát Khí hậu Vũ trụ Xa.

L2 cũng cách Trái đất 1 triệu dặm, nhưng ở ngược phía so với Mặt trời. Tại điểm này, với Trái đất, Mặt trăng và Mặt trời ở phía sau nó, phi thuyền vũ trụ có tầm quan sát vũ trụ xa xăm. Phi thuyền Tàu khảo sát Vi sóng Phi đẳng hướng Wilkinson (WMAP) của NASA hiện đang neo đậu tại điểm này để đo bức xạ phông nền vũ trụ còn sót lại từ thời Big Bang. Kính thiên văn vũ trụ James Webb sẽ đi vào vùng này vào năm 2018.

Điểm Lagrange thứ ba, L3, nằm phía sau Mặt trời, phía bên kia quỹ đạo Trái đất. Hiện nay khoa học chưa tìm thấy công dụng nào cho điểm này, mặc dù truyện khoa học viễn tưởng thì không hiếm ý tưởng khai thác.

NASA chưa tìm ra công dụng nào cho điểm L3 vì nó luôn nằm phía bên kia Mặt trời, theo một bài viết trên trang web của NASA. Ý tưởng một Hành tinh X tiềm ẩn tại điểm L3 là một đề tài quen thuộc trong văn chương khoa học viễn tưởng. Sự mất cân bằng của quỹ đạo Hành tinh X (trên cỡ thời gian 150 năm) không khiến Hollywood ngừng triển khai các tác phẩm kinh điển như “Người đến từ Hành tinh X”.

L1, L2 và L3 đều là những điểm không bền với trạng thái cân bằng mong manh. Nếu một phi thuyền tại L3 trôi giạt lại gần hay ra xa Trái đất một chút, thì nó sẽ rơi hẳn về phía Mặt trời hoặc Trái đất, giống như một hòn bi vừa vặn cân bằng trên một đỉnh dốc. Phi thuyền vũ trụ phải được điều chỉnh tinh vi để duy trì quỹ đạo của chúng.

Tuy nhiên, điểm L4 và L5 thì bền, giống như một hòn bi nằm tại đáy bát. Hai điểm này nằm trên quỹ đạo Trái đất, ở phía trước và phía sau Trái đất 60 độ, tạo thành một hình thoi gồm hai tam giác đều lấy các vật thể lớn (Trái đất và Mặt trời chẳng hạn) làm đỉnh của chúng.

Do tính ổn định của những điểm này, bụi vũ trụ và các tiểu hành tinh có xu hướng tích tụ ở đây. Các tiểu hành tinh tập trung quanh điểm L4 và L5 được gọi là tiểu hành tinh Thành Troy để tôn vinh các tiểu hành tinh Agamemnon, Achilles và Hector (đều là các nhân vật trong câu chuyện vây hãm thành Troy) nằm giữa Mộc tinh và Mặt trời. NASA cho biết có hàng nghìn tiểu hành tinh loại này được tìm thấy trong hệ mặt trời của chúng ta, trong đó có tiểu hành tinh Thành Troy duy nhất được biết của Trái đất, 2010 TK7.

L4 và L5 còn là các điểm tập kết khả dĩ cho việc khai thác không gian do vị trí của chúng gần Trái đất, chí ít là theo các tác phẩm của Gerard O'Neill và các cây viết khác cùng quan điểm. Vào thập niên 1970 và 1980, một nhóm gọi là Hội L5 đã xúc tiến quan điểm này giữa các thành viên. Vào cuối thập niên 1980, hội đã sát nhập vào một nhóm ngày nay gọi là Hiệp hội Vũ trụ Quốc gia (Hoa Kì), một tổ chức hậu thuẫn xúc tiến quan điểm xây dựng các nền văn minh ra ngoài Trái đất.

Lợi ích của điểm Lagrange

Nếu một phi thuyền vũ trụ sử dụng một điểm Lagrange ở gần Trái đất, thì có nhiều lợi ích với vị trí đó, theo lời Amy Mainzer thuộc Phòng thí nghiệm Động cơ Phản lực của NASA.

Mainzer là nhà nghiên cứu chính của dự án NEOWISE, một sứ mệnh tìm kiếm các tiểu hành tinh gần Trái đất sử dụng phi thuyền Tàu thám hiểm Khảo sát Hồng ngoại Trường rộng (WISE) đang quay trong quỹ đạo gần hành tinh của chúng ta. Trong khi WISE đang làm tốt sứ mệnh ba năm hiện nay của nó sẽ kết thúc trong năm 2016, theo Mainzer, một phi thuyền vũ trụ đặt tại một điểm Lagrange sẽ có thể làm được nhiều việc hơn.

Ở xa nhiệt và ánh sáng gây nhiễu của Mặt trời, một phi thuyền vũ trụ săn tìm tiểu hành tinh tại một điểm Lagrange sẽ nhạy hơn với các tín hiệu hồng ngoại nhỏ xíu truyền đến từ các tiểu hành tinh. Nó có thể định vị trên một ngưỡng quét rộng, trừ hướng rất gần Mặt trời. Và nó sẽ không cần chất điều nhiệt để làm lạnh, kiểu như phi thuyền WISE cần cho giai đoạn đầu sứ mệnh của nó từ năm 2009 đến 2011 – bản thân vị trí neo đậu sẽ cho phép sự làm lạnh tự nhiên. Kính thiên văn vũ trụ James Webb sẽ khai thác ưu điểm của môi trường nhiệt tại điểm L2 Mặt trời-Trái đất để giúp nó làm lạnh.

Nguồn: Space.com