16 октября 2021 года открывается стартовое окно для запуска межпланетной станции NASA «Люси» (Lucy). Она будет изучать троянские астероиды Юпитера, которые ранее никогда не наблюдались вблизи. Миссия станции рассчитана на 12 лет: за это время «Люси» посетит восемь целей и соберет данные, которые позволят нам больше узнать об истории формировании и эволюции Солнечной системы. Рассказываем, почему астрономы поделили часть спутников Юпитера на «защитников Трои» и «греков», и кого из них должна навестить «Люси» в ближайшие 12 лет.

В 1767 году математик Леонард Эйлер нашел три частных прямолинейных решения задачи трех тел, которая описывает движение тел в системе из трех гравитационно взаимодействующих объектов. Сами решения звучат так: три взаимно притягивающиеся тела постоянно находятся на одной прямой (отсюда и название решений), которая будет вращаться вокруг общего для них центра масс в соответствии со вторым законом Кеплера, а расстояния между телами будут меняться также по кеплеровским законам.

Через пять лет астроном и математик Жозеф-Луи Лагранж опубликовал «Очерк задачи трех тел», в котором к эйлеровским решениям добавились еще два, названных треугольными: три взаимно притягивающихся тела, расположенные в вершинах равностороннего треугольника произвольных размеров, при определенных по величине и направлению скоростях будут двигаться, удерживая треугольную формацию. При этом длина стороны этого треугольника будет меняться со временем согласно законам Кеплера, а сам треугольник вращаться в фиксированной плоскости вокруг общего центра масс, также подчиняясь законам Кеплера.

Говоря проще, тело с пренебрежимо малой массой, которое находится в точках, являющихся частными решениями задачи трех тел, может оставаться на месте, если на него не будут действовать никакие другие силы, кроме гравитационной, которая будет уравновешена центробежной силой.

Найденные решения называются точками Лагранжа или точками либрации. И хотя сам Лагранж относился к ним как к простому математическому курьезу, не имеющему значения для астрономии, они пригодились не только в науке, но и в космонавтике.

Лагранжевы точки и космонавтика

Лагранжевы точки L1, L2 и L3 являются точками неустойчивого равновесия — тела, которые в них находятся, со временем будут вынуждены их покинуть. Однако в конце 1950-х годов сотрудник NASA Роберт Фаркуар начал исследовать точки Лагранжа на предмет применимости в деле проектирования космических аппаратов. В своей кандидатской диссертации, вышедшей в 1968 году, он впервые описал гало-орбиты вокруг точек Лагранжа, и указал на то, что на них может быть удобно размещать космические телескопы или аппараты, которые могли бы корректировать свое положение при помощи двигателей. Фаркуар предложил поместить спутник-ретранслятор вблизи точки L2 системы Земля — Луна, чтобы астронавты могли высадиться на обратной стороне Луны. Любопытно, что до Фаркуара идея разместить что-нибудь рукотворное в точках Лагранжа появилась еще в 1961 году в романе Артура Кларка «Лунная пыль».

Помимо гало-орбит существуют и орбиты Лиссажу. Разница между ними в том, что гало-орбиты периодические и обладают большой амплитудой, а орбиты Лиссажу обладают меньшей амплитудой и являются квазипериодическими. На практике это может вылиться в то, что аппарат на орбите Лиссажу может периодически скрываться за Луной при наблюдении с Земли, а объект на гало-орбите с такой проблемой не столкнется.

Сегодня на орбитах вокруг точек L1 и L2 систем Солнце — Земля и Земля — Луна работает огромное множество аппаратов и телескопов: SOHO, «Гершель», Gaia, «Спектр-РГ» и многие другие, туда же отправится «Джеймс Уэбб».

Лагранжевы точки и троянцы

В двух других точках Лагранжа, L4 и L5 равновесие устойчиво — все тела, которые в них оказались, без внешней помощи свое расположение менять не должны. Правоту Лагранжа подтвердил через полтора века после публикации «Очерка задачи трех тел» немецкий астроном Максимилиан Вольф, который в 1906 году обнаружил около точки L4 в системе Солнце — Юпитер астероид, который вел себя в полном соответствии с решением французского математика. 

Вольф назвал открытое им тело в честь Ахилла, одного из лидеров ахейцев, осаждавших Трою в гомеровской «Илиаде». А затем в точках L4 и L5 начали открывать новые тела. Вскоре список кораблей из второй песни «Илиады» стал популярным в астрономических кругах текстом: L4 стал «лагерем греков», а L5 — «Троей», а объекты в них получать имена в честь героев, которые осаждали или защищали Трою (здесь, правда, есть пара исключений — (617) Патрокл и (624) Гектор находятся в чужих для них «лагерях», просто потому что открыли их раньше, чем идея раздать имена таким астроидам в соответствии с эпосом Гомера пришла астрономам в голову). В дальнейшем «троянцы» — тела в точках L4 и L5 системы «планета-хозяйка — Солнце» нашлись у многих других планет. У Нептуна их 28, у Марса — девять, по одному у Урана, Земли. Есть один даже у Венеры, правда временный. Но с Юпитером им не сравниться: таких тел у него больше семи тысяч.

Однако не все население треугольных точек Лагранжа составляют астероиды — в 1961 году астроном Краковской обсерватории Казимеж Кордылевский обнаружил «светящуюся область» в окрестности точки L5 системы Земля–Луна, а затем нашел нечто подобное вблизи L4. Сегодня эти объекты называются облаками Кордылевского — это ни астероиды, ни кометы, а скопления космической пыли.

Откуда они здесь взялись

Несмотря на то, что Вольф совершил свое открытие уже больше века назад, у ученых до сих пор больше вопросов о природе и свойствах троянцев, чем ответов. Они наблюдались только с большого удаления, поэтому даже об их форме астрономы судят на основе моделей. Известно, что троянцы отличаются от привычных нам астероидов Главного пояса и по ряду характеристик больше похожи на транснептуновые объекты — низкие альбедо, красноватый цвет, сильно наклоненные орбиты. Считается, что эти объекты могут содержать больше водяного льда и сложных органических молекул, чем многие из астероидов Главного пояса.

Споры идут и по поводу механизма образования троянцев на орбите Юпитера — пока что ни одна из теорий не может объяснить наблюдаемые параметры их орбит. Есть версия, это вообще тела из пояса Койпера, который располагается за Нептуном — если Юпитер и Сатурн когда-то повлияли на орбиту Урана и Нептуна, и те отправили в направлении обидчиков ворох койперовских тел. Возможно, троянцы образовались во внутренней части Солнечной системы, а затем были захвачены подросшими планетами — и гиганту Юпитеру, естественно, досталось больше всего. 

Таким образом, изучение троянцев даст планетологам большой объем информации о том, что происходило в ранней Солнечной системе и различиях в составе вещества протопланетного диска на разном удалении от Солнца. Отсюда и название новой миссии NASA — как в свое время скелет австралопитека Люси внес большой вклад в антропологию, так и роботизированная «Люси» поможет узнать много нового о прошлом Солнечной системы.

Путешествие длиной в 12 лет

Стартовое окно для «Люси» открывается 16 октября 2021 года и закроется через три недели. Запуск может состояться в любой из этих дней. В космос аппарат полетит на ракете-носителе Atlas V 401. Затем он совершит два гравитационных маневра у Земли в 2022 и 2024 году, после чего отправится к маленькому астероиду Главного пояса (52246) Дональдджохансон, относящегося к С-типу, мимо которого пролетит 20 апреля 2025 года. 

После этого «Люси» отправится уже к лагранжевым точкам системы Солнце–Юпитер. Сначала она нанесет визит в «лагерь ахейцев» 12 августа 2027 года станция совершит пролет мимо двойного астероида (3548) Эврибат, 15 сентября того же года навестит (15094) Полимелу, а 18 апреля 2028 года пролетит мимо астероида (11351) Левкус, день на котором длится 446 часов. 11 ноября 2028 года станция посетит (21900) Орус, который может быть богат углеродом. После этого «Люси» совершит еще один гравитационный маневр у Земли (!) и отправится уже к «защитникам Трои»: 2 марта 2033 года она исследует с пролетной траектории двойную систему (617) Патрокл и Менотий, находящуюся в точке L5 в системе Солнце–Юпитер. 

Таким образом за 12 лет станция изучит восемь астероидов самых разных типов — рекорд, который не сможет побить даже будущий аппарат ОАЭ, о начале разработки которого было объявлено совсем недавно. Если после стольких лет работы в глубоком космосе аппарат выполнит все задачи и будет в хорошем состоянии, то научную программу могут продлить, однако этот вопрос в NASA еще серьезно не обсуждали.

Арсенал исследователя

Так как «Люси» будет проводить исследования лишь во время сближений с астероидами, то вся ее научная нагрузка состоит исключительно из средств дистанционных наблюдений — увы, в этот раз никаких спускаемых модулей и приключений с забором грунта или сбросом ударных зондов, к которым приучили нас «Хаябуса-2» и OSIRIS-REx. Станция оснащена тремя инструментами — камерой высокого разрешения L'LORRI, мультиспектральной камерой L'Ralph, в которую входит инфракрасный спектрометр LEISA, и термоэмиссионным спектрометром L'TES. Технология работы двух первых приборов основана на инструментах аппарата New Horizons, а спектрометр L'TES похож на тот, который установлен на борту станции OSIRIS-REx. 

Научные инструменты позволят получить детальные снимки — черно-белые и цветные — поверхности астероидов, а также определить их свойства и состав поверхностного слоя, включая наличие водяного льда и органических веществ. Кроме того, «Люси» будет использовать двухметровую антенну с высоким коэффициентом усиления для определения массы астероидов, используя доплеровский сдвиг радиосигнала. Электроэнергией аппарат будут обеспечивать две круглые солнечные панели, каждая из который имеет диаметр 7,3 метра. Общая масса станции в заправленном состоянии составляет 1550 килограммов, из которых половина приходится на топливо.