2021. december 25-én csodás karácsonyi ajándékot kapott a csillagászközösség, hiszen 14 év csúszás után végre útjára indították a James Webb Űrtávcsövet (JWST). A JWST a Földtől 1,5 millió kilométerre, az úgynevezett L2 pontban fog keringeni a Nap körül. Pontosabban: az L2 pont körül.
De mi is az az L2 pont?
Az L betű Lagrange-t jelent, és Joseph Louis Lagrange-ról nevezték el (nevének ejtése: zsozef lui lágránzs). Lagrange matematikus, fizikus és csillagász volt, egyike annak a 72 tudósnak, akinek nevét felvésték a párizsi Eiffel-torony oldalára. A háromtest-probléma tanulmányozása során öt érdekes pontot talált, ezek lettek a Lagrange-pontok. A háromtest-probléma azt jelenti, hogy adjuk meg három test mozgását akkor, ha köztük csak a gravitációs erő hat és mind a három test pontszerű! (Utóbbi feltétel azt jelenti, hogy az árapályerők hatása elhanyagolható.) A korlátozott háromtest-probléma az, amikor két test tömege sokkal nagyobb, a harmadiké pedig gyakorlatilag elhanyagolható, de azért a gravitációban részt vesz. Ilyen rendszer lehet pl. a Nap és a Jupiter (a két nagyobb test), és egy kisbolygó vagy üstökös (aminek a tömege még a Jupiterének is töredéke, holott a Jupiter is csak ezredakkora tömegű, mint a Nap). Egy másik példa lehet a Föld, a Hold és egy holdszonda, ami sokkal kisebb tömegű akár a Földnél, akár a Holdnál. Vagy pedig a Nap, a Föld és egy űrtávcső. A két nagyobb test a korlátozott háromtest-problémában ismert kör vagy ellipszis alakú pályán kering egymás körül, és a harmadik test olyan pici tömegű, hogy ezt a pályát nem zavarja meg gravitációsan észrevehető mértékben. (Ezek a korlátozott háromtest-problémák vagy az elliptikus korlátozott háromtest-problémák – az elnevezéseknek nincs jelentőségük, hogy a JWST miért használja ki az egyik Lagrange-pontot.)
A Lagrange-pontok (L1, L2, L3, L4, L5 pontok) a tér azon öt pontja, amelyekben az ilyen korlátozott háromtest-problémában egy kis test helyzete két, egymás körül keringő nagyobb test együttes gravitációs vonzásának hatására hosszabb távon fix marad a másik kettőhöz képest.
Az öt Lagrange-pont együtt forog a két nagyobb testtel, ezeket tehát egy forgó rendszerben kell értelmezni. Például mintha a Nap közepében ülnénk, onnan kilátnánk, és mindig a Föld felé fordulnánk. Így forogva saját magunk körül, láthatjuk, ahogy a Lagrange-pontjaink együtt fordulnak el a Földdel, nem változtatva a Földhöz viszonyított helyzetüket.
(Ez körpályára igaz, a valóságban a földpálya pici, 1,6% körüli excentricitása miatt egy picit közelednek a Földhöz, amikor télen napközelben jár bolygónk, és nagyon picit távolodnak tőle, amikor nyáron naptávolban vagyunk.)
Az L1 pont a két nagyobb test között található. Nem ott van, ahol a két test gravitációs ereje kiegyenlíti egymást, mert a forgás miatt egy centrifugális erő is fellép a központból nézve.
Az L2 és az L3 pontok a két nagyobb testet összekötő egyenesen vannak. A 2-es jelzésű a kisebb testen túl a középpontból nézve, a hármas jelzésű pedig a nagyobb testnek a kisebb testtel átellenes oldalán.
A négyes és ötös pontok egyenlő oldalú háromszöget alkotnak a két nagyobb testtel. Vagyis a három égitest egyaránt egy 60°-60°-os szögű háromszög csúcsán ül, és a háromszög mindhárom oldala egyenlő hosszú.
A csillagászok Lagrange 18. századi munkája óta ki tudják számolni, melyik két égitestnek, pl. a Napnak és a Földnek mikor hol vannak a Lagrange-pontjai.
Az öt pont közül kettő stabil (L4, L5 pontok), három instabil (L1, L2, L3, pontok). Például a négyes és az ötös pont környékére került aszteroida a Nap-Jupiter rendszerében ott is marad, ezek az ún. trójai kisbolygók. A valóságban a négyes és az ötös pont körül előre-hátra mozognak, és ebihal alakú vagy lópatkó alakú pályán körbejárják ezeket a pontokat.
Az 1-es és 2-es instabil pontok természetét Kepler 3-ik törvénye alapján lehet megérteni. Mivel e törvény szerint a Nap körüli pályák fél nagytengelyeinek a köbe úgy aránylik egymáshoz, mint keringésidejük négyzete, az L2 pontba (vagy egyesbe vagy hármasba) helyezett űrtávcső nem maradhat stabil pályán. A Föld fél nagytengelyének mérete 149,6 millió km, de az űrtávcső ettől még 1,5 millió km-re lesz kijjebb, vagyis a Naptól 151,1 millió km-re. Kepler 3-ik törvénye alapján bárki kiszámolhatja a Föld ismert 365,25 napos keringésidejéből, hogy a JWST Nap körüli keringésideje 365,25 nap x (151,1 millió km/149,6 millió km)3/2 = 370,75 nap lesz. A JWST tehát csak folyamatos pályakorrekciókkal, üzemanyagot felhasználva a korrekciós hajtóműveihez maradhat a 2-es Lagrange-pontban. Ha az üzemanyag elfogy, akkor szép lassan elsodródik az L2 pontból és Nap körüli pályára áll, majd elveszítjük vele a kapcsolatot, mert üzemanyag híján nem orientálható többé. Ez a sorsa minden oda helyezett űreszköznek.
De miért az L2 pont körüli pályán fog keringeni a JWST?
Ha a JWST Föld körüli pályán lenne, akkor a Föld az égbolt nagy részét eltakarná, és ez egy ilyen drága űreszköznél alacsony kihasználtságot eredményezne. Másfelől éppen emiatt, egy alacsony Föld körüli pályán, pl. csak pár száz km magasságban csak kb. 40 percig észlelhetne az ég egyes részei felé, és utána 50 perc szünet jönne. Így a hosszabb megfigyelések állandóan meg lennének szakítva. Ugyanebben a magasságban, de távolabb is, a Föld sugárzási övezetei, a van Allen-övek is állandó részecskebecsapódásokat eredményeznének, gyorsan tönkretéve a hővédő pajzsot és a detektorokat (alfa-részecskéket, protonokat és elektronokat gyűjt ott össze leginkább a Föld mágneses mezeje.) Tízezer km-ekre elhelyezve is a Föld erős visszavert fénye komoly szórt fényt okozna a tubus nélküli nagy műszerben.
A NASA animációja mutatja, hogy hogyan mozog a Nap és az L2 pont körül a JWST: időnként az ekliptika (azaz a földpálya) síkja alatt, majd felett jár, és körbekerüli a Nap körül keringő L2 pontot.
Ezen felül az égbolt jelentős részét a holdfény is elérhetetlenné tenné, mert a túl sok szórt fény miatt nemcsak a Hold irányába nem lehetne észlelni, hanem a Hold környékén sem.
Ezért küldik messzire a Hold-Föld rendszertől, és így az ég majdnem minden része elérhetővé válik a távcső számára, csak a Nap irányában nem lehet észlelni.
Gondolhatnánk, hogy a Föld árnyéka is segíti a JWST-t, de nem. Árnyékkúpja nem ér el odáig. Csak egy kis fénypötty a Nap előtt. A James Webb Űrteleszkóp is, mint más ottani űreszközök is (pl. a Herschel is az L2 pontban volt, a Gaia műhold most is ott van és a PLATO is ott lesz), az L2 pont körül kering, így a napfény eléri. Ezért is van napvédő pajzsa a teleszkópnak.
Továbbá az L2 pont a Földdel együtt kering a Nap körül, így a kommunikáció könnyű, mindig biztosított, és a napelemtáblák is mindig könnyen a Nap felé irányozhatók. Nincs nagy késés a kommunikációban, és az L2 pont körül keringve hosszú évekig – kevés üzemanyag felhasználásával – stabil a pálya. Lehetne máshová is küldeni a Föld-Hold rendszertől távolabb, de ott a pályatartáshoz, a távcső irányzásához több üzemanyag és energiafelhasználás kellene.
A többi Lagrange-pont azért nem jöhet szóba a JWST helyét illetően, mert az L3 a Nap túloldalán van (kommunikációs problémát okozna a Nap kitakarása miatt). Az L4 és az L5 túl messze van, drága odajuttatni az eszközt. (De egyes napkutató szondák ezekben a pontokban működnek, hogy a Nap felületének nagyobb részéről legyen képünk, mint amit a Földről láthatunk. De ezek jóval kisebb és olcsóbb eszközök, mint a JWST.) Az L1 meg nemcsak messze van, de közelebb is a Naphoz, mint a Föld. Ráadásul az L1 pontból egy picit azért a Föld és a Hold is kitakarja az eget… Ebbe a sokszor belső Lagrange-pontnak nevezett 1-es pontba napkutató űrszondákat szoktak küldeni, mert innen állandóan és közelebbről figyelhetik a Napot. (Pl. a SOHO napkutató űrtávcső van itt.)
Az L2-ből csak a Nap takar és szórja a fényét a távcső háta mögött, ami nem számít – mivel a Föld és a Hold onnét nézve mindig a Nap irányában látszik, tehát ott a három égitest egyszerre takar ki, és abból a Nap a legjelentősebb – a Hold és a Föld onnét nézve már nem okoz extra kitakarást…
Tehát az L2 pont optimális választás!
Most már csak azért kell szorítani, hogy a JWST megérkezzen az L2 pontra, rendben ki tudja magát csomagolni (ez időközben megtörtént), majd a kalibrációk és tesztelések után 2022-ben meg tudja kezdeni a működését.
Egy Csizmadia Szilárddal facebookon folytatott privát csetben kapott, majd netről gyűjtött információk nyomán született cikk.
