¿Por qué los telescopios se colocan en puntos de Lagrange?

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L2 es un entorno térmico muy estable, así como una buena visibilidad instantánea del cielo y una alta eficiencia de observación.

La razón principal por la que los telescopios espaciales se colocan en una órbita L2 es porque L2 es un entorno térmico estable. Los telescopios en órbita terrestre pueden recibir la luz solar y la luz terrestre en diferentes direcciones, lo que significa que el telescopio tendría que protegerse en la mayoría de las direcciones si quisiera mantenerse fresco. En L2, la luz del sol y la luz de la Tierra provienen de la misma dirección, lo que significa que el telescopio solo debe protegerse de esa dirección. Esto es muy importante para los telescopios de infrarrojos, ya que la radiación de calor interfiere en las mediciones. De los 6 telescopios espaciales que van a L2 enumerados, 3 son telescopios infrarrojos.

Por ejemplo, JWST, uno de los telescopios infrarrojos, tiene que enfriar algunos de sus detectores a 7 kelvin para funcionar correctamente.

Órbita Halo JWST L2

El otro beneficio principal de estar en L2 es que estar tan lejos de la Tierra significa que hay un campo de visión disponible mucho mayor, ya que la Tierra bloquea una porción muy pequeña del cielo. Esto aumenta la visibilidad del cielo y la eficiencia de la observación .

Otros beneficios:
- Facilidad de comunicación
- Requerimientos bajos de Delta-V (2-4 m/s por año)

Para esta respuesta, consideraré que los telescopios espaciales son telescopios que operan en el espacio y que están destinados a observar objetos en los extremos del sistema solar y más allá. Esto excluye los satélites de observación de la Tierra, los satélites que monitorean el Sol y los satélites enviados a otro planeta para observar ese otro planeta como "telescopios espaciales".

Todo telescopio espacial tiene dos objetivos principales. Una es ver objetos en el espacio, como se ordena desde la Tierra. El otro se comunica con la Tierra (recibiendo comandos, transmitiendo observaciones a la Tierra). Hay muchas alternativas en cuanto a dónde colocar dichos dispositivos. Éstas incluyen

• Orbita terrestre baja

  • Descripción:
    • El satélite que contiene el telescopio espacial se inyecta en una órbita terrestre baja poco después del lanzamiento.
  • Ejemplos:
    • telescopio espacial Hubble
  • ventajas:
    • Esta es la más barata de todas las alternativas en términos de ΔV de lanzamiento.
    • La reparación / reposición es posible a esta altitud. El Hubble es prueba de ello.
  • Desventajas:
    • La velocidad orbital muy alta complica la visualización y las comunicaciones.
    • Estar tan cerca de la Tierra significa que oscurece una gran parte del cielo. La cercanía también significa que la Tierra es una importante fuente de calor para la astronomía infrarroja y de microondas.
    • Torques externos significativos resultan del alto gradiente de gravedad de la Tierra y la resistencia atmosférica y deben ser contrarrestados. LEO es probablemente la más cara de todas las alternativas en términos de mantenimiento de la actitud.
    • Esto, y en mucha menor medida, las órbitas geosincrónicas, son las únicas alternativas donde los desechos representan una amenaza.

• Órbita geosíncrona / geoestacionaria

  • Descripción:
    • El satélite se inyecta en una órbita de transferencia geoestacionaria poco después del lanzamiento. Posteriormente, cuando el satélite alcanza la altitud geoestacionaria, se realiza otro encendido para elevar el perigeo a la altitud geoestacionaria.
  • Ejemplos:
    • Explorador ultravioleta internacional
    • Hipparcos. Esa fue la intención; El motor impulsor de apogeo de Hipparcos no se encendió, por lo que permanece en una órbita de transferencia geoestacionaria.
  • ventajas:
    • La Tierra no es tan grande (en comparación con LEO), pero sigue siendo grande en comparación con otras alternativas.
    • La comunicación es fácil; esta es la más barata de todas las alternativas con respecto a las comunicaciones, suponiendo que el vehículo llegue a la órbita geosincrónica prevista.
  • Desventajas:
    • Sorprendentemente, esta alternativa es bastante costosa en términos de ΔV de lanzamiento. El costo de ΔV para ir desde la superficie de la Tierra a GEO es más alto que el costo de ΔV para alcanzar la velocidad de escape desde la superficie de la Tierra.
    • Se necesita combustible para el mantenimiento de la órbita, así como para el control de actitud.
    • El combustible debe reservarse para la actividad al final de su vida útil.

• Órbita terrestre altamente excéntrica

  • Descripción:
    • El satélite se inyecta en una órbita altamente excéntrica poco después del lanzamiento. Más tarde, cuando el satélite alcanza el apogeo, se puede realizar otra quema para elevar un poco el perigeo (pero no mucho).
  • Ejemplos:
    • Observatorio de rayos X Chandra
  • ventajas:
    • Puede ser barato en términos de lanzamiento ΔV, no tan barato como LEO, pero más barato que GEO.
  • Desventajas:
    • Un perigeo bajo significa que la órbita podría cruzar los cinturones de radiación de Van Allen e incluso podría descender a altitudes donde la resistencia atmosférica está presente.
    • Las inmersiones hacia el perigeo suelen interrumpir las operaciones.

• Órbita terrestre muy alta

  • Descripción:
    • El satélite se inyecta en una órbita altamente excéntrica poco después del lanzamiento. Más tarde, cuando el satélite alcanza el apogeo, se realiza otro encendido que eleva el perigeo en gran medida.
  • Ejemplos:
    • Sé que esta opción ha sido discutida, pero no puedo encontrar ninguna.
  • ventajas:
  • Desventajas:
    • Muy caro en términos de lanzamiento ΔV.
    • Puede ser costoso en términos de mantenimiento de la órbita ΔV debido a las perturbaciones de la Luna y el Sol.

• Órbita heliocéntrica que sigue a la Tierra

  • Descripción:
    • El satélite se inyecta en una órbita de escape de la Tierra poco después del lanzamiento. La órbita resultante tiene un período que es un poco más largo que un año. Más tarde, cuando el satélite escape del campo de gravedad de la Tierra, se podría realizar otra quema que asegure que el vehículo no regrese a la Tierra años o décadas después.
  • Ejemplos:
    • Telescopio espacial Spitzer
    • Telescopio espacial Kepler
  • ventajas:
    • Esta alternativa es sorprendentemente barata en términos de ΔV de lanzamiento. Las únicas alternativas con un ΔV de lanzamiento más bajo son LEO y órbitas terrestres altamente excéntricas.
    • Mantenimiento de órbita cero ΔV.
    • Bajos costos de mantenimiento de actitud.
    • La radiación térmica de la Tierra más o menos no es un problema.
  • Desventajas:
    • Los sistemas de comunicación no son baratos. La Red de Espacio Profundo (o equivalente) es necesaria en la Tierra, y una simple antena fija no es suficiente en el satélite.

• Finalmente, el punto Sol-Tierra L2

  • Descripción:
    • El satélite se inyecta en una órbita de transferencia compleja poco después del lanzamiento que finalmente lleva el vehículo cerca del punto Sol-Tierra L2. Cuando se acerca, el vehículo se inyecta a sí mismo en una pseudoórbita (ya sea una órbita de halo o una órbita de Lissajous) alrededor del punto Sol-Tierra L2.
  • Ejemplos:
    • Montones y montones de ellos.
  • ventajas:
    • El telescopio siempre se puede apuntar de modo que los tres, el Sol, la Tierra y la Luna, estén siempre detrás del telescopio. Esto solo es una gran ventaja.
    • La comunicación es más simple que comunicarse con un satélite que se aleja de la Tierra. La red de espacio profundo no es necesaria para recibir datos de un satélite que orbita Sol-Tierra L2, y la antena de la nave espacial puede ser bastante simple.
  • Desventajas:
    • Algo caro en términos de lanzamiento ΔV.
    • Se necesita combustible para el mantenimiento de la estación.

Los satélites colocados en L2 tienen el sol, la tierra y la luna detrás de ellos, por lo que obtienen una vista continua del espacio profundo. El telescopio espacial Webb se colocará allí. Un telescopio en L1 tendría una vista continua del Sol y el satélite SOHO se encuentra actualmente allí. Este enlace explica algunos de los beneficios en términos generales.