ย้อนกลับไปเมื่อปี 1687 หนังสือ หลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) ของเซอร์ไอแซก นิวตัน ได้กล่าวถึงกฎความโน้มถ่วงสากลและกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน อันเป็นเสาหลักใหญ่ในการอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุต่าง ๆ รวมทั้งการโคจรรอบดวงอาทิตย์ของโลกและดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ แต่ทว่ากฎความโน้มถ่วงสากลนี้กลับไม่สามารถอธิบายเหตุผลที่ดวงจันทร์ยังคงโคจรรอบโลกได้ ทั้งที่ดวงจันทร์ก็ยังอยู่ภายใต้อิทธิพลแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ เพราะโลกไม่ได้ดึงดูดดวงจันทร์เพียงอย่างเดียว แต่ดวงอาทิตย์ก็ดึงดูดดวงจันทร์ด้วย เมื่อคิดถึงระบบที่มีดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ โลก วงโคจรดวงจันทร์ต้องไม่ใช่แบบที่เรารู้จักแน่ ๆ
นักคณิตศาสตร์ในอดีตจึงพยายามอธิบายวงโคจรของดวงจันทร์โดยทำการสมมุติว่า มีวัตถุมวลเท่ากันจำนวน 3 ก้อน เพื่อใช้ศึกษาหาวงโคจรของวัตถุสามชิ้นภายใต้แรงดึงดูดระหว่างกัน โดยเมื่อลองพิจารณาการโคจรของวัตถุ 3 ก้อนโดยอ้างอิงกฎความโน้มถ่วงสากลและกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันแล้วจะพบว่า วัตถุทั้ง 3 ดูเหมือนจะมีความไม่เป็นระบบระเบียบที่แน่นอน เนื่องจากวัตถุมิได้โคจรกลับมายังตำแหน่งเดิมทุกครั้ง ไม่ได้ลู่เข้าหาจุด ๆ หนึ่ง หรือ ขยายวงโคจรออกห่างจากศูนย์กลาง (ตามภาพเคลื่อนไหวด้านล่าง) แต่คล้ายกับมีแบบแผนอะไรบางอย่างซึ่งไม่สามารถอธิบายได้ด้วยกฎความโน้มถ่วงสากล เนื่องจากกฎความโน้มถ่วงสากลนี้ถูกใช้ในการคำนวณในกรณีที่มีวัตถุเพียง 2 ก้อนเท่านั้น หากมีวัตถุมากกว่า 2 ก้อนที่มีปฎิสัมพันธ์กันแล้วก็จะใช้อธิบายไม่ได้
ที่มา Wikicommon
ที่มา Wikipedia
จนกระทั่งในปี 1772 โฌแซ็ฟ-หลุยส์ ลากร็องฌ์ (Joseph-Louis Lagrange) นักคณิตศาสตร์ชาวซาร์ดิเนีย ได้พยายามแก้ไขปัญหานี้อย่างถึงที่สุด จนกระทั่งเขาได้ค้นพบจุดสมดุลของ ปัญหาสามวัตถุ ซึ่งเป็นจุดที่สามารถคำนวณได้ด้วยหลักการตายตัวที่เรียกว่า Restricted three-body problem โดยการคำนวณนี้อาศัยโมเดลในอุดมคติที่มวลไม่มีผลกระทบต่อการคำนวณ ผลลัพธ์คือจุดสมดุลทั้งหมด 5 จุดซึ่งถูกเรียกว่าจุดลากรางจ์ (จริง ๆ แล้ว Leonhard Euler เจอก่อนแล้ว 3 จุด แต่ลากรางจ์เจอเพิ่มอีกเป็น 5 จุด)
ซึ่งจุดทั้ง 5 จุดนี้เมื่อคำนวณตามกฎความโน้มถ่วงสากลแล้ว วัตถุขนาดใหญ่จะหักล้างแรงโน้มถ่วงซึ่งกันและกันจนเกิดดุลยภาพ ซึ่งจุดลากรางค์นั้นจะอยู่กับที่เมื่อเทียบกับระบบ ไม่ว่าระบบจะเคลื่อนที่ไปแบบไหนก็ตาม
แต่ทว่าในตอนนั้นจุดลากรางค์ไม่ได้มีความสำคัญอะไรเลย จนกระทั่งในปัจจุบันการคำนวณหาจุดลากรางค์มาใช้ฟิสิกส์วงโคจรเพื่อใช้หาจุดจอดของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ รวมทั้งวัตถุที่เราส่งขึ้นไปเพื่อดำเนินภารกิจต่าง ๆ
โดยในที่นี้เราจะพูดถึงจุดลากรางค์ของระบบดวงอาทิตย์และโลก ซึ่งในปัจจุบันมักนิยมใช้กันในแวดวงอวกาศเป็นส่วนใหญ่ โดยจุดลากรางจ์มีทั้งหมด 5 จุดดังนี้
ที่มา NASA
จุด L1 หรือจุดด้านหน้าโลก เป็นจุดได้รับแสงจากดวงอาทิตย์ตลอดเวลาซึ่งเป็นประโยชน์ในการสำรวจดวงอาทิตย์ โดยดาวเทียมที่อยู่ในจุดนี้ได้แก่ Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) , Advanced Composition Explorer (ACE) , WIND และ Deep Space Climate Observatory (DSCOVR)
จุด L2 คือจุดด้านหลังโลก ที่จุดนี้เองเงาของโลกจะตกทอดบดบังแสงจากดวงอาทิตย์ตลอดเวลา (แต่ก็ยังพอมีแสงเข้าอยู่บ้างนะ) ซึ่งเหมาะกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ไม่ชอบแสงอาทิตย์ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ (James Webb Space Telescope) ที่ต้องตัดแสงอาทิตย์ที่จะรบกวนการถ่ายภาพห้วงลึกอวกาศที่ค่อนข้างมองยากและมีความสว่างปรากฎที่ต่ำ หากมีแสงอาทิตย์รบกวนก็จะมองแทบไม่เห็น
จุด L3 คือจุดด้านตรงข้ามกับโลกอยู่ด้านหลังดวงอาทิตย์ เป็นจุดที่เรามักไม่ค่อยเอาอะไรไปวางไว้เท่าไหร่ เนื่องจากกระบวนการส่งวัตถุไปนั้นหากไม่เดินทางอ้อมดวงอาทิตย์ก็คงต้องพุ่งทะลุดวงอาทิตย์ไปซึ่งคงจะโดนเผาในไม่ช้าแน่ ๆ รวมทั้งปัญหาด้านการสื่อสารเนื่องจากดวงอาทิตย์บดบังอยู่ หรือถ้าหากส่งได้ก็คงต้องหันเสาอากาศตัวรับเผชิญหน้าดวงอาทิตย์ ซึ่งคงจะเกิดสัญญาณรบกวนตลอดการสื่อสารแน่นอน หรือถ้าจะส่งไปตรงนั้นสู้ส่งไปจุด L4 และ L5 ที่มีความเสถียรจะดีกว่า
จุด L4 และ จุด L5 สองจุดนี้นั้นยังไม่มีดาวเทียมหรืออะไรไปวางไว้เลย มีแต่เคลื่อนตัวผ่าน เช่น OSIRIS-REx ที่ผ่านแถบ L4 เพื่อไปสำรวจดาวเคราะห์น้อย หรืออย่าง Hayabusa 2 ที่ผ่านจุด L5 ในปี 2017 เพื่อไปหาสิ่งที่เรียกว่า Earth trojans หรือดาวเคราะห์น้อยที่โคจรในวงโคจรโลก ซึ่งความพิเศษของจุดทั้ง 2 จุดนี้คือ มีคาบวงโคจรแบบเดียวกับโลกและมีความเสถียรมากที่สุด ซึ่งแตกต่างจากจุดอีก 3 จุดที่ไม่มีความเสถียร
ที่มา Scientific American
เพราะมันเป็นจุด…
โดยในจุด L1 L2 L3 เหล่านี้ไม่มีความเสถียรเนื่องด้วยความที่มันเป็นจุดขนาดเล็กเมื่อเทียบกับ L4 และ L5 ที่กินพื้นที่เป็นอาณาเขตที่กว้างกว่านั้น ทำให้เมื่อมีแรงกระเพื่อมเบา ๆ อย่างลมสุริยะมาปะทะก็สามารถทำให้มันหลุดวงโคจรได้ ซึ่งกล้องโทรทรรศน์หรือดาวเทียมจะใช้จุดจรวดเพื่อปรับทิศทางให้เข้าสู่ตำแหน่งเดิม
ด้วยคุณสมบัติที่ไม่เสถียรนี้ยังเป็นข้อดีที่ทำให้เหล่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศและดาวเทียมที่จุด L2 ยังสามารถมีพลังงานได้เนื่องจากทันทีที่พวกมันหลุดจากวงโคจร แสงอาทิตย์ก็จะตกกระทบกับตัวยาน ซึ่งเวลานี้คือนาทีทองที่ดาวเทียมหรือกล้องโทรทรรศน์อวกาศใช้เพื่อชาร์จพลังงานก่อนจะจุดจรวดกลับเข้าสู่ตำแหน่งเดิม (เหมือนแวะเติมพลังงาน)
ส่วน L4 และ L5 เป็นจุดที่มีความสมดุล เพราะถึงแม้ว่าวัตถุจะถูกเหวี่ยงจนค่อย ๆ ออกจากจุดสมดุลไปเรื่อย ก็ยังจะมีแรงที่ชื่อ Coriolis Force ดันมันกลับมาเข้าสู่จุดสมดุล ส่งผลให้เมื่อพวกมันกำลังหลุดจากสมดุลก็จะถูกแรงพิเศษนี้ดันกลับโดยอัตโนมัติอยู่ดี
อ้างอิง
Spaceth.co | Lagrangian Point คืออะไร ทำไมยานอวกาศถึงต้องไปอยู่ตรงนั้น
NASA | What is a Lagrange Point? | NASA Solar System Exploration
