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| 天体力学 |
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天体力学において、ラグランジュ点(/ l ə . ˈ ɡ r ɑː n dʒ /、ラグランジュ点、秤動点とも呼ばれる)は、2つの大質量軌道天体の重力の影響下にある小質量天体の平衡点である。数学的には、これは制限三体問題の解を伴う。[ 1 ]
通常、二つの巨大な天体は一点に不均衡な重力を及ぼし、その点にあるものの軌道を変えます。ラグランジュ点では、二つの巨大な天体の重力と遠心力が互いに釣り合います。[ 2 ]そのため、ラグランジュ点は衛星にとって最適な場所となります。なぜなら、望ましい軌道を維持するために必要な軌道修正、ひいては燃料消費量が最小限に抑えられるからです。
2つの軌道天体の任意の組み合わせにおいて、L 1から L 5までの5つのラグランジュ点が存在し、いずれも2つの大きな天体の軌道面上にあります。太陽・地球系には5つのラグランジュ点があり、地球・月系にも5つの異なるラグランジュ点があります。L 1、L 2、L 3 は2つの大きな天体の中心を通る直線上にあり、L 4とL 5はそれぞれ2つの大きな天体の中心で形成される 正三角形の3番目の頂点として機能します。
二つの天体の質量比が十分に大きい場合、L4点とL5点は安定点となり、物体が周回軌道を描き、また物体を引き寄せる性質を持つようになります。いくつかの惑星は、太陽から見てL4点とL5点付近にトロヤ群小惑星を有しており、木星には100万個以上のトロヤ群小惑星が存在します。
いくつかのラグランジュ点は宇宙探査に使用されています。太陽地球システムにおける2つの重要なラグランジュ点は、太陽と地球の間にあるL 1と、地球の反対側の同じ線上にある L 2です。どちらも月の軌道から十分に外れています。現在、深宇宙気候観測衛星(DSCOVR)と呼ばれる人工衛星がL 1に配置されており、太陽から地球に向かってくる太陽風を調査し、画像を撮影して送信することで地球の気候を監視しています。[ 3 ]強力な赤外線宇宙観測所であるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡はL 2に配置されています。[ 4 ]これにより、衛星のサンシールドを回転させなくても、太陽、地球、月の光と熱から望遠鏡を同時に保護することができます。L 1および L 2ラグランジュ点は、地球から約1,500,000 km (930,000 mi) の位置にあります。
欧州宇宙機関(ESA)が以前に打ち上げたガイア望遠鏡と、新たに打ち上げたユークリッド望遠鏡も、L 2 の周りを周回しています。ガイアはL 2 の周りをより狭いリサージュ軌道で周回しますが、ユークリッドはJWSTに似たハロー軌道を周回します。これらの宇宙望遠鏡は、地球の影から十分に離れているため太陽電池パネルで電力を供給でき、軌道維持に多くの電力や推進剤を必要としないこと、地球の磁気圏の影響を受けないこと、そしてデータ転送のために地球に直接視線を通れることなどの利点があります。
3つの共線的ラグランジュ点(L 1、L 2、L 3 )は、イタリア生まれのジョゼフ=ルイ・ラグランジュが残りの2点を発見する10年前の1750年頃にスイスの数学者レオンハルト・オイラーによって発見された。[ 5 ] [ 6 ]
1772年、ラグランジュは『三体問題に関する論文』を出版した。第一章では、一般的な三体問題を考察した。第二章では、円軌道を持つ任意の3つの質量に対して、共線解と正三角形解という2つの特殊な定常解を示した。[ 7 ]
5 つのラグランジュ点は次のようにラベル付けされ、定義されます。
L 1点は、2つの大きな質量M 1とM 2を結ぶ線上にあります。そこは、 M 2の重力とM 1の重力が組み合わさって平衡状態を生み出す点です。地球よりも太陽に近い軌道を周回する物体は、通常、地球よりも公転周期が短くなりますが、これは地球の重力の影響を無視した場合です。物体が地球と太陽のちょうど間にあれば、地球の重力が太陽の引力の一部を打ち消し、物体の公転周期が長くなります。物体が地球に近いほど、この影響は大きくなります。L 1点では、物体の公転周期は地球の公転周期と正確に等しくなります。L 1は、地球から太陽の方向に約150万キロメートル(0.01 au)離れています。 [ 1 ]
L 2点は、2つの大きな質量を通る線上にあり、小さい方の質量の先にあります。ここで、2つの大きな質量の合成重力が、L 2にある物体にかかる遠心力をつり合わせます。地球の太陽の反対側では、物体の公転周期は通常、地球よりも長くなります。地球の重力の余分な引力により、物体の公転周期は減少し、L 2点では、その公転周期は地球の公転周期と等しくなります。L 1と同様に、L 2は地球から約150万キロメートルまたは0.01 au(太陽から遠い)離れています。地球-太陽L 2付近で動作するように設計された宇宙船の例としては、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡があります。[ 8 ]以前の例としては、ウィルキンソン・マイクロ波異方性探査機とその後継機であるプランクがあります。
L 3点は、2つの大きな質量によって定義される直線上にあり、大きい方の質量の先にあります。太陽地球系において、L 3点は太陽の反対側、地球の軌道の少し外側、そして地球よりも太陽の中心からわずかに離れた位置にあります。太陽は地球の重力の影響も受け、太陽本体のかなり内側にある2つの天体の重心の周りを公転するため、このような配置になります。太陽から地球までの距離にある物体は、太陽の重力のみを考慮すると、公転周期は1年になります。しかし、地球から太陽の反対側にあり、両方の天体と一直線上にある物体は、地球の重力が太陽の重力にわずかに加わるのを「感じる」ため、同じ1年の周期を持つためには、地球と太陽の重心から少し離れた位置を公転する必要があります。 L 3点では、地球と太陽の複合引力により、物体は地球と同じ周期で軌道を回り、事実上、地球と太陽の重心がその軌道の 1 つの焦点にある状態で、地球 + 太陽の質量を周回します。

L 4点と L 5点は、2 つの質量の中心を結ぶ線を共通底とする軌道平面内の2 つの正三角形の 3 番目の頂点に位置し、大きい質量の周りの軌道に関して小さい質量の 60 ° 前 (L 4 ) または後ろ (L 5 ) に位置します。
三角形の点(L 4と L 5)は、M1/M2は24.96より大きい。[注 1 ]これは、太陽・地球系、太陽・木星系、そしてより小さい差で地球・月系に当てはまります。これらの点にある物体が摂動を受けると、その点から離れていきますが、摂動によって増加または減少する係数(重力または角運動量による速度)の反対の係数も増加または減少し、物体の軌道は(共回転座標系で見られるように)点の周りの安定したインゲン豆型の軌道に曲げられます。[ 9 ]
L 1、 L 2、 L 3の各点は不安定な平衡点です。L 1、 L 2、 L 3を周回する物体は軌道から外れやすいため、これらの領域に自然物体が存在することは稀です。そのため、これらの領域に滞在する宇宙船は、位置を維持するために、 わずかながらも極めて重要な軌道維持を行う必要があります。
L 4と L 5は自然に安定しているため、惑星系のこれらのラグランジュ点を周回する自然物体が見つかることはよくあります。これらの点にある物体は、一般的に「トロヤ群」または「トロヤ小惑星」と呼ばれます。この名前は、太陽 -木星のL 4 点と L 5点を周回する小惑星に付けられた名前に由来しており、これらの名前は、トロイア戦争中に設定された叙事詩であるホメロスのイリアスに登場する神話の登場人物に由来しています。木星の前方にある L 4点の小惑星は、イリアスに登場するギリシャの人物にちなんで名付けられ、「ギリシャ陣営」と呼ばれています。L 5点の小惑星は、トロイアの人物にちなんで名付けられ、「トロイア陣営」と呼ばれています。どちらの陣営も、トロイア天体の一種であると考えられています。
太陽と木星は太陽系で最も質量の大きい天体であるため、太陽・木星系トロヤ群は他のどの天体よりも多く知られています。しかし、他の軌道系のラグランジュ点には、それより少ない数の天体が知られています。
馬蹄形軌道上の天体は、誤ってトロヤ群天体と表現されることがあります。しかし、これらの天体はラグランジュ点を占有しません。馬蹄形軌道上の既知の天体には、地球を含む3753 クルイトネ、そして土星の衛星エピメテウスとヤヌスなどがあります。

ラグランジュ点は、制限三体問題における定数パターン解である。例えば、共通の重心の周りを周回する二つの質量の大きな物体がある場合、比較的無視できる質量を持つ第三の物体を、二つの質量の大きな物体に対する相対的な位置を維持するように配置できる空間上の位置は五つ存在する。これは、二つの質量の大きな物体の重力の合成が、それらの軌道運動と一致する円運動を維持するのに必要な求心力と正確に一致するためである。
あるいは、2 つの共軌道物体の角速度に一致する回転参照フレームで見ると、ラグランジュ点において、2 つの質量の大きい物体の複合重力場が遠心疑似力とバランスし、より小さい 3 番目の物体が最初の 2 つの物体に対して (このフレーム内で) 静止したままになります。
L 1の位置は、重力が求心力を与えると仮定した次の式の解である。 ここで、 rはL 1点から小さい方の物体までの距離、 Rは2つの主要物体間の距離、M 1とM 2はそれぞれ大きい方の物体と小さい方の物体の質量である。右側の括弧内の量は、L 1から質量中心までの距離である。rの解は、次の五次関数の唯一の実根である。
ここで、 はM 2 の質量分率、は正規化された距離です。小さい方の物体( M 2 ) の質量が大きい方の物体( M 1)の質量よりもはるかに小さい場合、L 1とL 2は小さい方の物体からほぼ等しい距離rに位置し、これはヒル球の半径に等しく、次式で与えられます。
これは次のようにも書けます。 物体の潮汐力はその質量を距離の3乗で割った値に比例する ため、L 1 点または L 2点における小さい方の物体の潮汐力は、その物体の約3倍になります。また、次のようにも書けます。 ここで、ρ 1とρ 2は2つの物体の平均密度、d 1とd 2はそれぞれの直径です。直径と距離の比は物体が張る角度を与え、これら2つのラグランジュ点から見ると、2つの物体の見かけの大きさは同じになることがわかります。特に、地球と太陽のように、小さい方の密度が大きい方の密度の約3倍の場合は、この傾向が顕著になります。
この距離は、 M 1がない場合にこの距離を半径とするM 2の周りの円軌道に対応する軌道周期が、 M 1の周りのM 2の周期を√3 ≈ 1.73 で割った値になるように記述できます。

L 2の位置は、次式の解である。ここで、重力は求心力を与える。 パラメータはL 1 の場合と同様に定義される。対応する五次方程式は
また、小さい方の物体の質量(M 2)が大きい方の物体の質量(M 1)よりもはるかに小さい場合、L 2 は次のように表される ヒル球の半径とほぼ同じになります。
潮汐の影響と見かけの大きさに関する記述は、L 1点の場合と同じです。例えば、L 2点から見た太陽の角半径はarcsin( 695.5 × 10 3/151.1 × 10 6 ) ≈ 0.264°であるのに対し、地球のそれはarcsin( 6371/1.5 × 10 6 )≈ 0.242°。L 2から太陽を見ると、金環日食が見られます。ガイアのような宇宙船は、太陽電池パネルに十分な太陽光を当てるために、 L 2の周りをリサージュ軌道またはハロー軌道で周回する必要があります。
L 3の位置は、重力が求心力を与えると仮定した場合、次式の解となる。 パラメータM 1、M 2、RはL 1および L 2の場合と同様に定義され、rは L 3から大きい方の物体の中心までの距離がR − rとなるように定義される。小さい方の物体の質量 ( M 2 ) が大きい方の物体の質量 ( M 1 ) よりもはるかに小さい場合、次式が成り立つ。[ 20 ]
したがって、L 3から大きい方の物体までの距離は、2 つの物体間の距離よりも小さくなります (ただし、L 3と重心の間の距離は、小さい方の物体と重心の間の距離よりも大きくなります)。
これらの点がつり合っている理由は、L 4と L 5では2 つの質量までの距離が等しいためです。したがって、2 つの質量の大きい物体からの重力は、2 つの物体の質量と同じ比率になり、その結果生じる力はシステムの重心を通して作用します。さらに、三角形の形状により、結果生じる加速度は、2 つの質量の大きい物体の場合と同じ比率で重心からの距離に対して生じます。重心は三体系の質量中心と回転中心の両方であるため、この結果生じる力は、ラグランジュ点にある小さい方の物体を、システムの他の 2 つの大きい物体と軌道平衡に保つために必要な力とまったく同じです (実際、3 番目の物体の質量は無視できるほど小さくなければなりません)。一般的な三角形の構成は、三体問題を研究していたラグランジュによって発見されました。

軌道上の物体が、両天体を通る直線上の点において、その 半径方向の加速度a は次のように表されます。 ここで、 rは主天体M 1からの距離、Rは2つの主要天体間の距離、 sgn( x ) はxの符号関数です。この関数の各項はそれぞれ、M 1からの力、 M 2からの力、 向心力を表します。点 L 3、 L 1、 L 2は加速度がゼロの地点です(右の図を参照)。正の加速度は図の右側に向かう加速度、負の加速度は左側に向かう加速度です。そのため、重力井戸の反対側では加速度の符号が逆になります。

L 1 点、L 2点、L 3点は名目上は不安定ですが、三体系においてはこれらの点の周囲にハロー軌道と呼ばれる準安定な周期軌道が存在します。太陽系のような完全なn体力学系にはこれらの周期軌道は存在しませんが、リサージュ曲線の軌道に従う準周期軌道(つまり、境界はあるものの厳密には繰り返されない軌道)は存在します。これらの準周期リサージュ軌道は、これまでほとんどのラグランジュ点宇宙ミッションで使用されてきました。これらの準周期リサージュ軌道は完全に安定しているわけではありませんが、適度な軌道維持を行うことで、宇宙船を長期間にわたって所望のリサージュ軌道に維持することができます。
太陽-地球-L 1ミッションでは、探査機がL 1に留まるよりも、L 1を周回する大振幅(100,000~200,000 km、62,000~124,000マイル)のリサージュ軌道に乗ることが望ましい。これは、太陽と地球を結ぶ線が、地球と探査機間の通信における太陽干渉を増加させるからである。同様に、L 2を周回する大振幅のリサージュ軌道は、探査機が地球の影に隠れないようにするため、太陽電池パネルへの継続的な照明を確保する。
L 4 点とL 5点は、主天体(例えば地球)の質量が副天体(例えば月)の質量の少なくとも 25 [注 1 ]倍である場合に安定します[ 21 ] [ 22 ] 。地球の質量は月の 81 倍以上です(月は地球の質量の 1.23% です[ 23 ])。L 4 点と L 5点は、上記の有効ポテンシャル等高線図のように「丘」の頂上にありますが、それでも安定しています。この安定性の理由は二次効果です。物体が正確なラグランジュ位置から離れると、コリオリの加速度(これは軌道を周回する物体の速度に依存し、等高線図としてモデル化することはできません)[ 22 ]によって軌道が点の周りを(点から離れるのではなく)曲がる経路になります。[ 22 ] [ 24 ]安定の源はコリオリの力であるため、結果として得られる軌道は安定する可能性があるが、一般的には平面ではなく「三次元」となる。つまり、黄道面と交差する歪んだ面上に位置する。L 4と L 5の周りに典型的に示されている腎臓形の軌道は、軌道を平面(例えば黄道)に投影したものであり、完全な三次元軌道ではない。

この表は、太陽系におけるL 1、L 2、L 3のサンプル値を示しています。計算では、2つの天体が半径長軸に等しい距離で完全な円を周回し、近くに他の天体が存在しないと仮定しています。距離は大きい方の天体の質量中心から測定されます(ただし、地球-月間、太陽-木星間の場合は重心を参照)。L 3は負の方向を示します。パーセンテージの列は、軌道から半径長軸に対する距離を示しています。例えば、月の場合、L 1は地球の中心から326,400 km離れて おり、これは地球と月の距離の84.9%、つまり月の「前方」(地球方向)の15.1%に相当します。L 2は地球の中心から448,900km離れて おり、これは地球と月の距離の116.8%、つまり月から16.8%離れたところにあります。L3は地球の中心から-381,700 km離れており、これは地球と月の距離の 99.3% または月の「負」の位置の内側 (地球方向) に 0.7084% あります。
| ボディペア | 長半径 SMA (×10 9 m) | L 1 (×10 9 m) | 1 − L 1 /SMA (%) | L 2 (×10 9 m) | L 2 /SMA − 1 (%) | L 3 (×10 9 m) | 1 + L 3 /SMA (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 地球と月 | 0.3844 | 0.326 39 | 15.09 | 0.4489 | 16.78 | −0.381 68 | 0.7084 |
| 太陽と水星 | 57.909 | 57.689 | 0.3806 | 58.13 | 0.3815 | −57.909 | 0.000 009 683 |
| 太陽と金星 | 108.21 | 107.2 | 0.9315 | 109.22 | 0.9373 | −108.21 | 0.000 1428 |
| 太陽と地球 | 149.598 | 148.11 | 0.997 | 151.1 | 1.004 | −149.6 | 0.000 1752 |
| 太陽と火星 | 227.94 | 226.86 | 0.4748 | 229.03 | 0.4763 | −227.94 | 0.000 018 82 |
| 太陽と木星 | 778.34 | 726.45 | 6.667 | 832.65 | 6.978 | −777.91 | 0.055 63 |
| 太陽と土星 | 1 426 .7 | 1 362.5 | 4.496 | 1 492.8 | 4.635 | −1 426 .4 | 0.016 67 |
| 太陽と天王星 | 2 870 .7 | 2 801 .1 | 2.421 | 2 941.3 | 2.461 | −2 870 .6 | 0.002 546 |
| 太陽と海王星 | 4 498 .4 | 4 383 .4 | 2.557 | 4 615 .4 | 2.602 | −4 498 .3 | 0.003 004 |


太陽・地球L1は、太陽・地球系の観測に適している。ここにある物体は地球や月の影になることがなく、地球を観測する場合は常に太陽に照らされた半球を観測する。この種の最初のミッションは、1978年の国際太陽地球探検家3号(ISEE-3)ミッションで、太陽擾乱の惑星間早期警報嵐モニターとして使用された。[ 25 ] 2015年6月以来、DSCOVRはL1点を周回している。逆に、この地点は太陽の途切れない観察と、地球より最大1時間前にL1に到達する宇宙天気(太陽風とコロナ質量放出を含む)を提供するため、宇宙ベースの太陽望遠鏡にも有用である。現在L1の周りで行われている太陽および太陽圏ミッションには、太陽・太陽圏観測衛星、風、アディティアL1ミッション、高度構成探査機などがある。計画されているミッションには、星間マッピングおよび加速探査機(IMAP)とNEOサーベイヤーが含まれます。
太陽・地球 L 2は宇宙ベースの観測所に適した場所です。L 2の周りの物体は太陽と地球に対して同じ相対位置を維持するため、遮蔽と較正がはるかに簡単になります。ただし、地球の本影の範囲をわずかに超えているため[ 26 ]、 L 2では太陽放射が完全には遮断されません。宇宙船は通常、太陽の部分日食を避けて一定の温度を維持しながらL 2の周りを周回します。L 2付近の場所では、太陽、地球、月が空で比較的接近しています。つまり、望遠鏡を暗い側にして大きな日よけを設置すると、望遠鏡を約 50 K まで受動的に冷却できます。これは特に、赤外線天文学と宇宙マイクロ波背景放射の観測に役立ちます。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、2022年1月24日に L 2のハロー軌道に配置されました。
太陽・地球間のL1とL2は鞍点であり、約23日の時定数で指数関数的に不安定です。これらの点にある衛星は、軌道修正が行われない限り、数か月以内に軌道から外れてしまいます。[ 9 ]
太陽・地球 L 3 は、宇宙時代よりはるか以前に、軌道力学と惑星同士の軌道摂動が解明されて以来、この場所に惑星が存在することは不可能と認識されていたにもかかわらず、パルプ SFや漫画では「反地球」を置く場所として人気があった。地球サイズの天体が他の惑星に与える影響は見逃されなかっただろうし、反地球の質量のために地球の軌道楕円の焦点が予想された場所になかったという事実も見逃されなかっただろう。しかし、太陽・地球 L 3は弱い鞍点であり、時定数が約 150 年で指数関数的に不安定である。[ 9 ]さらに、他の惑星の重力は地球よりも強いため、大小を問わず自然物を長期間保持することはできません(たとえば、金星は20か月ごとにこのL3の0.3 AU以内に近づきます )。[ 27 ]
太陽-地球L3付近を周回する宇宙船は、活動的な黒点領域が地球有効位置に到達する前にその進化を詳細に監視することができ、NOAA 宇宙天気予報センターから7日間の早期警報が発令される可能性がある。さらに、太陽-地球L3付近の衛星は、地球の予報だけでなく、深宇宙支援(火星の予報や地球近傍小惑星への有人ミッション)にも非常に重要な観測データを提供する。2010年には、太陽-地球L3への宇宙船の移行軌道が研究され、いくつかの設計が検討された。[ 28 ]
地球-月L1軌道は、速度変化を最小限に抑えながら月と地球の軌道に比較的容易にアクセスできるため、貨物や人員を月へ輸送するための居住可能な宇宙ステーションを設置するのに有利です。SMART -1ミッション[ 29 ]は2004年11月11日にL1ラグランジュ点を通過し、月の重力の影響が支配的な領域に入りました。
地球-月L2は、2018年に打ち上げられた鵲橋など、月の裏側をカバーする通信衛星に使用されており、 [ 30 ]提案されている貯蔵所ベースの宇宙輸送アーキテクチャの一部としての燃料貯蔵所にとって「理想的な場所」となるだろう。[ 31 ]
地球・月間のL4点とL5点は、コルディレフスキー塵雲の位置である。[ 32 ] L5協会の名称は、地球・月系におけるL4点とL5点のラグランジュ点に由来し、巨大な回転宇宙居住地の位置として提案されている。これらの位置は、地球をカバーする静止軌道上の通信衛星と同様に、月をカバーする通信衛星の位置としても提案されている。 [ 33 ] [ 34 ]
B612財団の科学者たちは[ 35 ]、地球の軌道を観測し地球近傍小惑星のカタログを作成することを目的としたセンチネル望遠鏡を設置するために、金星のL3点を使用する計画を立てていました。[ 36 ]
2017年、火星の人工磁気圏として使用するために、太陽-火星L1点に磁気双極子シールドを配置するアイデアがNASAの会議で議論されました。 [ 37 ]このアイデアは、火星の大気を太陽の放射線と太陽風から保護するというものです。
地球と太陽を結ぶ線からの[反地球]の分離は、時間の経過とともに振幅が増加するにつれて変化し、その影響は想定される最大の質量の場合に最も顕著になります。積分期間の112年間では、分離はすべてのケースで十分に大きくなり、特に朝夕の薄明かりや皆既日食の際には、クラリオンが直接観測されたはずです。
オリジナル( PDF)からのアーカイブ。 2011年1月25日閲覧。L2
は
惑星表面から遠く離れた深宇宙にあるため、熱環境、微小隕石環境、原子状酸素環境はLEOよりもはるかに優れています。LEOで見られるような過酷な環境がないため、熱力学的安定とハードウェア寿命の延長がはるかに容易になります。L2
は
優れたゲートウェイであるだけでなく、推進剤を保管するのに最適な場所でもあります。…L2
は
推進剤と貨物を保管するのに理想的な場所です。近く、高エネルギーで、低温です。さらに重要なことは、LEO 貯蔵庫から推進剤を継続的に前方に移動できるため、貯蔵庫のサイズが抑えられ、地球近傍での蒸発によるペナルティが効果的に最小限に抑えられることです。