有必要了解！什么是日地拉格朗日L2点？韦伯会独占这一位置吗？

北京时间2021年12月25日20:20，搭载“詹姆斯韦伯”太空望远镜的“阿丽亚娜5”运载火箭，将在法属圭亚那库鲁航天发射中心升空，正式开启“韦伯”的深空探测之旅。

按照计划，“韦伯”将被部署在日地拉格朗日L2点，运行在这一有利位置有助于其探索来自宇宙起源阶段的红外辐射，将有机会大幅提升人类对宇宙的认知。当我们有幸见证这一人类大事件的时候，就有必要了解什么是日地拉格朗日L2点？进而弄明白“韦伯”会不会独占这一有利位置？

5个拉格朗日点，限定性三体问题的5个特解

要清晰说明“日地拉格朗日L2点”，就需要弄明白一些基础的天文知识。在天体力学领域，很早就有研究者提出了N体的问题，在三维空间中给定N个质点，如果在它们之间只有万有引力的作用，那么在给定它们的初始位置和速度的条件下，它们会作怎样的空间运动。在N体问题中，当N=3时，问题就会简化为三体问题，即三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体，在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。

基于目前的理论研究，三体问题不能精确求解，即无法预测所有三体问题的数学情景，只有几种特殊情况已研究，比如已经发现限制性三体问题的五个特解。一个小物体在两个大物体的引力作用下在空间中的一点，相对于两大物体基本保持静止，小物体所在点称为平动点，即拉格朗日点，这样的点总计存在5个，对应的就是限制性三体问题的五个特解。

具体到日地系统，也存在上述5个拉格朗日点，其中L4、L5为稳定点和L1、L2、L3为不稳定点。在此着重说明L1、L2、L3三个不稳定点，这三点均位于日地连线上，其中L1点位于日地之间，根据天体运行规律，小天体绕日公转轨道半径比地球更小，轨道周期自然更短，由于地球引力抵消了部分太阳引力，使得该小天体的公转周期与地球一样。L3点则位于日地连线太阳背面一侧，绕日轨道半径比地球略大，按照规律轨道周期也会更长，但是日地引力的合力使其轨道周期与地球相同。再来看看“韦伯”计划前往的L2点，该点位于日地连线地球背面一侧，距地150万千米，本来该点距日更远轨道周期会更长，同样是日地合力使其轨道周期与地球一致。

国际深空探测的热点位置，“韦伯”无法独占！

由于位于L2点的小天体可以保持背向太阳和地球的方位，易于保护和校准，只需消耗很少的燃料即可长期驻留，是探测器、天体望远镜定位和观测太阳系的理想位置，在工程和科学上具有重要的实际应用和科学探索价值，是国际深空探测的热点。此前，2001年发射的美国威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，简称WMAP）已经围绕日地系统的L2点运行，后来我国的“嫦娥二号”探测器于2011年飞临该点进行短暂的空间探测。

威尔金森微波各向异性探测器

L2点与L1、L3点一样属于不稳定点，向该点投送小天体会很快离开，为此，需要设计围绕L2做周期运动（Halo orbit）的轨道，以达到条件稳定，这样探测器只需消耗少量动力进行轨道维持。以WMAP为例，该探测器在与地月系统绕太阳公转的同时，在环绕L2点的轨道上还做着0.464转/分钟的自转和1转/小时的进动。需要指出的是，探测器绕L2点做周期运动的轨道并不是固定的，可根据天体运行规律进行具体设计，也就意味着在该点上可以同时投送多颗探测器，无需担心“韦伯”独占宝贵的太空观测资源。未来，中国的探测器还可以再次飞临L2点与“韦伯”并行对宇宙进行更深入的探测。

虽然“韦伯”是由美国主导的太空探测项目，与我们似乎没有什么关系，但是科学是没有国界的，其最终探测成功有机会大幅提升人类对宇宙的认知，这是惠及全人类的贡献，也为包括我国在内的其它航天大国的深空探测提供十分有益的借鉴，乐见“韦伯”项目取得成功！

作者：大白高国

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