Speciellt placerade satelliter

Vanligen tänker vi på satelliter som nyttiga tekniska prylar som snurrar runt vår jord. Så gör också de flesta – även de geostationära – vilket beskrivs i tidigare text här på EduGalaxen. Det finns dock fem områden i vilka vi kan placera satelliter så att de, relativt jorden, med väldigt små åtgärder kan hållas på samma ställe hela tiden. Dessa områden är de vi kallar Lagrange-punkter efter astronomen och matematikern Joseph-Louis Lagrange.

Lagrangepunkter hittar vi i roterande system med två himlakroppar. Vi koncentrerar oss här på det system som består av solen och vår planet men det finns också fem punkter relativt solen och var och en av de andra planeterna. Det system som består av jorden och månen ger också upphov till Lagrangepunkter. I fortsättningen koncenterar vi oss på solen som M1 och jorden som M2. Solens massa är mer än 24.96 ggr så stor som jordens vilket gör L4 och L5 stabila. Det återkommer vi till.

L1, L2 och L3 ligger på den linje vi kan dra genom solen och jorden. L1 är hela tiden mellan jorden och solen. Skulle det vara blott solens och jordens gravitation som här befann sig i jämvikt skulle L1 befinna sig i en position blott 260 000 km från jorden. Avståndet mellan jorden och L1 är dock ungefär en procent av avståndet mellan jorden och solen – 1,5 miljoner km. Detta beror på att systemet inte är stilla. Hela systemet roterar och då kommer tröghetslagarna med i spelet. Newtons etta, tröghetslagen, säger att en kropp i likformig rörelse kommer att fortsätta i sin likformiga rörelse om ingen yttre kraft påverkar den. Enligt detta skulle jorden fortsätta spikrakt ut i rymden. Den yttre kraften i fallet med vår jord är gravitationen. Gravitationen drar jorden och solen mot varandra, trögheten vill ”räta ut” jordens bana kring solen. Det som finns i lagrangepunkterna påverkas av gravitationen både från solen och från jorden såväl som trögheten. Detta samspel gör att de satelliter vi placerar i lagrangepunkterna kräver väldigt lite energi för att följa med jorden i dess bana kring solen och kan alltså ses alltså som ”fast placerade” relativt jorden.

I lagrangepunkt 1 finns två satelliter vilka har stor betydelse för vår kunskap om solen och solvinden. I sin position mellan jorden och solen beskriver Advanced Composition Explorer, ACE, solvinden i det närmaste i realtid. Gillar man nordlys (norrsken) är ACE mycket värdefull. Eftersom signalerna från satelliten når oss i det närmaste med ljusets hastighet och solvinden normalt rör sig i hastigheter mellan 300 och 600 km/s får vi uppgifter om snabba förändringar i solvindens karaktär en knapp timme innan den når jorden. Den tiden är tillräcklig för att man ska hinna klä på sig och söka sig till en bra observationspunkt. I samma lagrangepunkt finns en frukt av samarbetet mellan NASA och ESA, Solar and Heliospheric Observatory, SOHO, som ger oss aktuella bilder, tagna i olika våglängder, av vår stjärna. De bilder av koronamassutkast som ibland delas via EduGalaxens sidor på facebook och Google+ är hämtade från SOHO.

Lagrangepunkt 2 hyser flera intressanta rymdteleskop, bland annat Planck och Herchel. Ett senare tillskott till satellitflottan i L2 är GAIA som bland annat ska ge oss en mycket detaljerad 3D-karta över vår galax och dess närmaste omgivning. James Webb Space Telescope, som är ett stort samarbetsprojekt mellan ESA, NASA och CSA, är planerat att skjutas upp 2018 och då placeras i L2. I L2 är dessa teleskop skyddade från jordens värmestrålning och har en betydligt lugnare bana i det att de egentligen roterar med jorden kring solen. Genom  att de är vända bort från jorden är de samtidigt hela tiden vända bort från solen och kan skyddas från solens strålar med en sköld.

Dessa två punkter är, på samma sätt som, L3 så kallade sadelpunkter. De är inte stabila vilket innebär att en satellit placerad i någon av Lagrangepunkterna 1-3 behöver justera sitt läge med jämna mellanrum för att inte driva iväg. Detta kan liknas med att få en isbit att hållas i en sadel. Så länge den är mitt uppe på sadeln hålls den där av sig själv men direkt den börjar glida åt endera sidan bör man puffa upp den tillbaka.

Lagrangepunkterna 4 och 5 ser vid första anblicken ut att vara instabila men när corioliseffekten tas med i beräkningarna visar de sig vara de mest stabila. Det vore en tänkbar plats för satelliter om det inte naturligt följde att damm och småstenar som hamnar i dessa punkter inte heller driver därifrån. Det finns åtminstone en asteroid i L4, 2010 TK₇.

Som framgår ovan lär vi oss hela tiden mer om vår kosmiska omgivning. Vi konfronteras också av nya frågor. De nya frågorna kräver större kunskaper och ibland krävs det stora resurser för att kunna söka svaren. Dessa stora frågor för nationer och deras människor samman.

Här finns mera – också matematiken!