16 жовтня 2021 року відкривається стартове вікно для запуску міжпланетної станції NASA «Люсі» (Lucy). Вона вивчатиме троянські астероїди Юпітера, які раніше ніколи не спостерігалися поблизу. Місія станції розрахована на 12 років: за цей час «Люсі» відвідає вісім цілей і збере дані, які дозволять нам більше дізнатися про історію формування та еволюції Сонячної системи. Розповідаємо, чому астрономи поділили частину супутників Юпітера на «захисників Трої» і «греків», і кого з них повинна відвідати «Люсі» в найближчі 12 років.
У 1767 році математик Леонард Ейлер знайшов три приватні прямолінійні рішення задачі трьох тіл, яка описує рух тіл у системі з трьох гравітаційно взаємодіючих об'єктів. Самі рішення звучать так: три взаємно притягувані тіла постійно знаходяться на одній прямій (звідси і назва рішень), яка буде обертатися навколо загального для них центру мас відповідно до другого закону Кеплера, а відстані між тілами будуть змінюватися також за кеплерівськими законами.
Через п'ять років астроном і математик Жозеф-Луї Лагранж опублікував «Нарис завдання трьох тіл», в якому до ейлерівських рішень додалися ще два, названих трикутними: три взаємно притягувані тіла, розташовані у вершинах рівностороннього трикутника довільних розмірів, при визначених за величиною і напрямком швидкостях рухатимуться, утримуючи трикутну формацію. При цьому довжина боку цього трикутника буде змінюватися з часом згідно із законами Кеплера, а сам трикутник буде обертатися у фіксованій площині навколо загального центру мас, також підкоряючись законам Кеплера.
Говорячи простіше, тіло зі зневажливо малою масою, яке знаходиться в точках, що є приватними рішеннями завдання трьох тіл, може залишатися на місці, якщо на нього не будуть діяти ніякі інші сили, крім гравітаційної, яка буде врівноважена відцентровою силою.
Знайдені рішення називаються точками Лагранжа або точками лібрації. І хоча сам Лагранж ставився до них як до простого математичного курйозу, що не має значення для астрономії, вони стали в нагоді не тільки в науці, але і в космонавтиці.
Лагранжеві точки і космонавтика
Лагранжеві точки L1, L2 і L3 є точками нестійкої рівноваги - тіла, які в них знаходяться, з часом будуть змушені їх покинути. Однак наприкінці 1950-х років співробітник NASA Роберт Фаркуар почав досліджувати точки Лагранжа на предмет застосовності в справі проектування космічних апаратів. У своїй кандидатській дисертації, що вийшла в 1968 році, він вперше описав гало-орбіти навколо точок Лагранжа, і вказав на те, що на них може бути зручно розміщувати космічні телескопи або апарати, які могли б коригувати своє положення за допомогою двигунів. Фаркуар запропонував помістити супутник-ретранслятор поблизу точки L2 системи Земля - Місяць, щоб астронавти могли висадитися на зворотному боці Місяця. Цікаво, що до Фаркуара ідея розмістити щось рукотворне в точках Лагранжа з'явилася ще в 1961 році в романі Артура Кларка «Місячний пил».
Крім гало-орбіт існують і орбіти Лісажу. Різниця між ними в тому, що гало-орбіти періодичні і володіють великою амплітудою, а орбіти Лісажу володіють меншою амплітудою і є квазіперіодичними. На практиці це може вилитися в те, що апарат на орбіті Лісажу може періодично ховатися за Місяцем при спостереженні з Землі, а об'єкт на гало-орбіті з такою проблемою не зіткнеться.
Сьогодні на орбітах навколо точок L1 і L2 систем Сонце - Земля і Земля - Місяць працює величезна безліч апаратів і телескопів: SOHO, «Гершель», Gaia, «Спектр-РГ» і багато інших, туди ж відправиться «Джеймс Вебб».
Лагранжеві точки і троянці
У точках Лагранжа L4 і L5 рівновага стійка - всі тіла, які в них опинилися, без зовнішньої допомоги своє розташування міняти не повинні. Правоту Лагранжа підтвердив через півтора століття після публікації «Нарису завдання трьох тіл» німецький астроном Максиміліан Вольф, який в 1906 році виявив близько точки L4 в системі Сонце - Юпітер астероїд, який поводився в повній відповідності з рішенням французького математика.
Вольф назвав відкрите ним тіло на честь Ахілла, одного з лідерів ахейців, які осаджували Трою в гомерівській «Іліаді». А потім в точках L4 і L5 почали відкривати нові тіла. Незабаром список кораблів з другої пісні «Іліади» став популярним в астрономічних колах текстом: L4 став «табором греків», а L5 - «Трійкою», а об'єкти в них отримувати імена на честь героїв, які облагали або захищали Трою. Тут, правда, є пара винятків - (617) Патрокл і (624) Гектор знаходяться в чужих для них «таборах», просто тому що відкрили їх раніше, ніж ідея роздати імена таким астероїдам відповідно до епосу Гомера прийшла астрономам в голову. Надалі «троянці» - тіла в точках L4 і L5 системи «планета-господиня - Сонце» - знайшлися у багатьох інших планет. У Нептуна їх 28, у Марса - дев'ять, по одному біля Урану і Землі. Є один навіть у Венери, правда тимчасовий, але з Юпітером їм не зрівнятися: таких тіл у нього більше семи тисяч.
Однак не все населення трикутних точок Лагранжа складають астероїди - в 1961 році астроном Краківської обсерваторії Казімеж Кордилевський виявив «світячу область» в околиці точки L5 системи Земля-Місяць, а потім знайшов щось подібне поблизу L4. Сьогодні ці об'єкти називаються хмарами Кордилевського - це ні астероїди, ні комети, а скупчення космічного пилу.
Звідки вони тут взялися
Незважаючи на те, що Вольф зробив своє відкриття вже більше століття тому, у вчених досі більше питань про природу і властивості троянців, ніж відповідей, вони спостерігалися тільки з великого видалення, тому навіть про їх форму астрономи судять на основі моделей. Відомо, що троянці відрізняються від звичних нам астероїдів Головного поясу і за низкою характеристик більше схожі на транснептунові об'єкти - низькі альбедо, червонуватий колір, сильно нахилені орбіти. Вважається, що ці об'єкти можуть містити більше водяного льоду і складних органічних молекул, ніж багато астероїдів Головного поясу.
Суперечки йдуть і з приводу механізму утворення троянців на орбіті Юпітера - поки що жодна з теорій не може пояснити спостережувані параметри їх орбіт. Є версія, це взагалі тіла з поясу Койпера, який розташовується за Нептуном - якщо Юпітер і Сатурн колись вплинули на орбіту Урана і Нептуна, і ті відправили в напрямку кривдників ворох койперівських тел. Можливо, троянці утворилися у внутрішній частині Сонячної системи, а потім були захоплені підрослими планетами - і гіганту Юпітеру, природно, природно, найбільше дісталося.
Таким чином, вивчення троянців дасть планетологам великий обсяг інформації про те, що відбувалося в ранній Сонячній системі і відмінностях у складі речовини протопланетного диска на різному віддаленні від Сонця. Звідси і назва нової місії NASA - як свого часу скелет австралопітека Люсі зробив великий внесок в антропологію, так і роботизована «Люсі» допоможе дізнатися багато нового про минуле Сонячної системи.
Подорож завдовжки 12 років
Стартове вікно для «Люсі» відкривається 16 жовтня 2021 року і закриється через три тижні. Запуск може відбутися в будь-який з цих днів. У космос апарат полетить на ракеті-носії Atlas V 401. Потім він здійснить два гравітаційні маневри біля Землі в 2022 і 2024 році, після чого відправиться до маленького астероїда Головного поясу (52246) Дональдджохансон, що відноситься до С-типу, повз якого пролетить 20 квітня 2025 року.
Після цього «Люсі» відправиться вже до лагранжевих точок системи Сонце-Юпітер. Спочатку вона нанесе візит до «табору ахейців» 12 серпня 2027 року станція здійснить проліт повз подвійного астероїда (3548) Еврібат, 15 вересня того ж року відвідає (15094) Полімелу, а 18 квітня 2028 року пролетить повз астероїд (11351) Левкус, день на якому триває 446 годин. 11 листопада 2028 року станція відвідає (21900) Орус, який може бути багатий на вуглець. Після цього «Люсі» здійснить ще один гравітаційний маневр біля Землі (!) і відправиться вже до «захисників Трої»: 2 березня 2033 року вона досліджує з прогонової траєкторії подвійну систему (617) Патрокл і Менотій, що знаходиться в точці L5 в системі Сонце-Юпітер.
Таким чином за 12 років станція вивчить вісім астероїдів різних типів - рекорд, який не зможе побити навіть майбутній апарат ОАЕ, про початок розробки якого було оголошено зовсім недавно. Якщо після стількох років роботи в глибокому космосі апарат виконає всі завдання і буде в хорошому стані, то наукову програму можуть продовжити, проте це питання в NASA ще серйозно не обговорювали.
Арсенал дослідника
Оскільки «Люсі» проводитиме дослідження лише під час зближень з астероїдами, то все її наукове навантаження складається виключно із засобів дистанційних спостережень - на жаль, цього разу жодних модулів і пригод із парканом ґрунту або скиданням ударних зондів, до яких привчили нас «Хаябуса-2» і OSIRIS-REx. Станція оснащена трьома інструментами - камерою високої роздільної здатності L'LORRI, мультиспектральною камерою L'Ralph, в яку входить інфрачервоний спектрометр LEISA, і термоемісійним спектрометром L'TES. Технологія роботи двох перших приладів заснована на інструментах апарату New Horizons, а спектрометр L'TES схожий на той, який встановлено на борту станції OSIRIS-REx.
Наукові інструменти дозволять отримати детальні знімки - чорно-білі і кольорові - поверхні астероїдів, а також визначити їх властивості і склад поверхневого шару, включаючи наявність водяного льоду та органічних речовин. Крім того, «Люсі» буде використовувати двометрову антену з високим коефіцієнтом посилення для визначення маси астероїдів, використовуючи доплерівський зсув радіосигналу. Електроенергією апарат забезпечуватимуть дві круглі сонячні панелі, кожна з яких має діаметр 7,3 метра. Загальна маса станції в заправленому стані становить 1550 кілограмів, з яких половина припадає на паливо.