拉格朗日点——太空最佳停车位

拉格朗日点（Lagrangian point）指的是太空中的某些特殊位置：在该位置上，两个天体（比如：太阳和地球或地球和月球）的引力的矢量之和，与该处的第三个相对小得多（质量可忽略不计）的物体所受的离心力平衡。两个天体的万有引力与离心力在拉格朗日点平衡，使得第三个物体与前两个物体保持相对静止。因此，在该处太空器可以稳定下来实施观测活动。

拉格朗日点（Lagrangian point）又称平动点（libration points）。这些点以约瑟夫-路易斯-拉格朗日（十八世纪一位伟大的数学家）的名字来命名。拉格朗日点在天体力学中是限制性三体问题的五个特解。就平面圆型三体问题，1767年数学家欧拉根据旋转的二体引力场推算出其中三个点（特解）为L1、L2、L3，1772年数学家拉格朗日推算出另外两个点（特解）为L4、L5，而且他还根据这些点撰写了一篇讨论“三体”问题的论文。

拉格朗日点的构成

在行星或者恒星这样的大天体周边会有5个拉格朗日点。

五个拉格朗日点的计算公式及位置。

其中三个处于两大天体间的连线上。例如在日地系统里，第一个拉格朗日点L1，位于地球和太阳之间，离地球大约一百万英里的位置上。在L1上观测太阳可以不受到引力干扰。该点现在已经被“太阳和太阳风层层探测器”（SOHO)和“深空气象卫星”所占据。

太阳和太阳风层探测器。

L2同样处于距离地球100万英里左右的位置。但与L1不同，它不处于日地之间，而是位于反向太阳方向的日地延长线上。处于这个位置上的太空器由于太阳、地球和月球都在其身后，因此可以清楚的观测到整个深空。NASA的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP) 现在正处于L2点上测量宇宙大爆炸之后残留的热辐射，即宇宙微波背景辐射。另外，詹姆斯韦伯太空望远镜也将在2018年被放置于该区域，进行深空观测。

WMAP的轨迹与轨道。

第三个拉格朗日点L3，位于相反于地球方向的日地延长线上。到目前为止，只有在科幻小说里提到过如何利用L3点，现实中还没有找到一个科学地利用它的办法。

“因为L3点总是躲藏在太阳背后，NASA不太可能找到利用这点的方法。”NASA 在一篇网文上谈及这个拉格朗日点，“关于在L3处隐藏着一个神秘行星X一直是科幻创作中的热门话题。X行星的不稳定的公转轨道（公转周期约是150年），并没有阻止好莱坞推出经典的‘来自X行星的人’这类影片。”

L1、L2 和L3 这三个点都是靠不稳定的引力平衡维持的不稳定点。如果一个处于L3的飞行器飘向或者漂离地球方向，那它最终将不可避免的向地球或者太阳坠落。“像在一辆陡峭的山崖边上勉强维持平衡的车”，天文学家Neil DeGrasse Tyson说到。太空器必须通过微调来保持其停留在原有轨道上。

相反，L4和L5是稳定的点。“像一个放在巨碗的球。”根据欧洲太空署的说法。以日地系统为例，这两个点位于地球公转轨道上，一上一下与日地连线成60度夹角，这两个点作为顶点，与地球和太阳组成两个等边三角形。

由于这两个点具有稳定性，使得太空尘埃和小行星有在这些区域积累的趋势。在木星和太阳之间，木日拉格朗日点L4、L5周围的小行星群被叫做特洛伊小行星群，以此来向阿伽门农、阿喀琉斯、赫克托（都是围攻特洛伊故事里的人物）致敬。

木星的特洛依群小行星群位在木星前方或后方60度，与木星有着相同的轨道。

美国宇航局说，已经有成千上万的这些类型的小行星在我们的太阳系被发现，包括地球的唯一已知的特洛伊小行星——2010 TK7。

WISE拍摄到的地球特洛伊小行星——2010 TK7(图中绿色圈位置)。

同时，因为L4和L5相对接近地球，根据Gerard O'Neill和其他思想家的作品，这两个区域被认为是可能的太空殖民区域。在20世纪七八十年代，一个叫做L5社团的组织在他们的成员中推广这个概念。在20世纪80年代末，L5社团的成员合并成一个现在叫做“国家太空学会”的组织，该组织提倡飞出地球创建人类文明。

构想中的太空殖民模型。

拉格朗日点的好处

“如果一个航天器利用靠近地球位置的拉格朗日点，将会有很多好处。”喷气推进实验室的艾米·曼泽说。

艾米·曼泽是NEOWISE的首席研究员。NEOWISE是一项从事到2016年为止的任务——其使用位于近地轨道的广域红外线巡天探测卫星（WISE）来搜寻近地小行星。任务期间，WISE的表现相当好。然而，艾米·曼泽说，如果将探测器放置在拉格朗日点可以做得更好。

画家笔下的广域红外线巡天探测卫星

位于远离太阳光热干扰的拉格朗日点上的小行星捕捉器将对来自小行星的微弱的红外信号更加敏感。除非太过靠近太阳，它所能探测的方向可以覆盖广阔的范围。

而且，在这个位置上，将不需要像2009年到2011其第一阶段的要求那样，而是允许其不需要靠冷却液就能自然冷却。詹姆斯·韦伯太空望远镜将利用在日地L2点的这个热环境优势来助其冷却。

韦伯将被置于太阳─地球的第二拉格朗日点。

另外，L1和L2点在通讯上也会很有益处——可用的频宽巨大。

翻译：孔俊，校对/编辑：小三