Всё о космических путешествиях за 60 минут

Это классический пример задачи трех тел, которую трудно решить математическим путем. Одно решение для конкретного случая нашел французский математик итальянского происхождения Жозеф Луи Лагранж в 1772 году. Он определил пять точек в пространстве в гравитационной системе из двух тел, куда можно поместить третье, чтобы оно сохраняло свое положение относительно двух других. Эти точки Лагранжа обозначаются как L₁, L₂ и так далее и располагаются в форме креста. Например, L₁ является своего рода точкой равновесия, где гравитация первых двух тел в некотором смысле балансируется. Объект, помещенный в точке L₁ в системе Земля – Солнце, будет вращаться вокруг Солнца вместе с Землей.

Точки Лагранжа отлично подходят для «парковки» космических аппаратов. Несколько наблюдающих за Солнцем зондов размещены в точке L₁ в системе Земля – Солнце, а космический телескоп «Джеймс Уэбб», запуск которого планируется в 2021 году, будет располагаться в точке L₂ за неосвещенной Солнцем стороной Земли, откуда он сможет наблюдать небеса, оставаясь в вечной темноте.

Даже во время путешествия к месту назначения гравитация может стать вашим другом. Гравитационное поле других планет иногда используется для увеличения скорости летящего космического аппарата, и запускать двигатели при этом не требуется. Подобные гравитационные маневры – отличный способ сэкономить топливо и достигнуть отдаленных мест.

Космический аппарат, приближаясь к планете в состоянии покоя, испытывает гравитационное притяжение, ускоряющее его, а затем, как только он пролетит мимо, равная по величине и противоположная по направлению сила начнет замедлять его. Но планеты не стационарны – они непрерывно обращаются вокруг Солнца, – и движущаяся планета передает часть своего импульса космическому аппарату во время его пролета. Это чем-то напоминает отскок мячика от ракетки для настольного тенниса: если ракетка неподвижна, мяч отскакивает назад с той же скоростью, с которой прилетел. Однако если энергично отбить мяч ракеткой, после столкновения он будет двигаться намного быстрее. То же самое и с гравитацией: движущаяся планета может «захватить» своим полем пролетающий мимо космический аппарат, а затем отправить его дальше с гораздо более высокой скоростью.

«Вояджер-2», запущенный NASA в 1977 году к внешним планетам Солнечной системы, использовал череду гравитационных маневров для полета от одной планеты к Другой. Это стало возможным благодаря редкому явлению – параду планет, происходящему раз в 176 лет. Гравитационные маневры также помогают замедлять космические аппараты в случае необходимости. Это было сделано, к примеру, в ходе полетов к Меркурию и Венере – внутренним планетам Солнечной системы. Двигаясь к ее центру, аппараты ускоряются за счет гравитации Солнца – она создает избыточную скорость, которую нужно гасить.

В каком-то смысле гравитации не существует; то, что движет планетами и звездами, – это искажение пространства и времени.

Митио Каку (2000)

Все относительно

Хотя закон тяготения Ньютона позволяет довольно точно моделировать поведение космического аппарата, летящего по Солнечной системе, он не стал последним словом в вопросе о том, как на самом деле работает сила притяжения. В 1915 году немецкий физик Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, которая описывает гравитацию как искривление пространства и времени (по Эйнштейну, это единое целое – пространство-время). Согласно этой теории массивные небесные тела искажают ландшафт пространства-времени, создавая своего рода холмы и долины, которые затем, в свою очередь, определяют движение объектов, проходящих через них. В нашей Солнечной системе масса звезды создает в пространстве-времени гигантскую впадину в форме воронки – и планеты вращаются вокруг Солнца по своим орбитам, словно шарики, пущенные кататься вокруг конуса этой воронки.

Эйнштейн пришел к этой теории после того, как сформулировал специальную теорию относительности (спустя 10 лет). Она представляла собой новый взгляд на науку о движущихся телах и, по сути, породила знаменитое уравнение Е = тс², связывающее энергию (Е) и массу (т) со скоростью света (с) и ставшее основой для ядерной энергетики. Но специальная теория не учитывала гравитацию. Пытаясь исправить это, Эйнштейн осуществил мысленные эксперименты, в рамках которых построил различные сценарии в специальной теории относительности, а затем «поместил» их в гравитационное поле и попробовал понять, что должно произойти. Эти игры разума убедили его в том, что правильный путь объяснения гравитации состоит в том, чтобы изогнуть пространство и время в его специальной теории. И так общая теория относительности была подтверждена экспериментально.