¿Tiene sentido hablar de los puntos de libración triangulares de Mercurio (L4, L5)?

La pregunta reciente ¿Cuánto blindaje contra la radiación se requeriría para un hábitat en Mercurio-Sol L5? me hizo pensar Hay una gran cantidad de desventajas y desafíos para construir o colocar una gran estructura artificial mucho más cerca del Sol que a la distancia de la órbita de la Tierra, y la única ventaja que se me ocurre es que tendrías una gran cantidad de energía solar. energía disponible para hacer frente a esos desafíos.

Pero también me preguntaba si existe alguna expectativa de que haya algún beneficio significativo al colocar algo en uno de los puntos de libración triangular de Mercurio Sol-Mercurio L4 o L5 en comparación con simplemente colocarlo en una órbita heliocéntrica e ignorar a Mercurio por completo, excepto, por supuesto. por no ser golpeado por ella.

Así que elegí un punto en el espacio que sigue la órbita de Mercurio, excepto que lo sigue por 1/6 de un período, el equivalente temporal aproximado de seguir por 60° sería para una órbita circular. Luego calculé la aceleración que experimentaría desde Mercurio, Venus y la Tierra durante cinco años, y resulta que las "perturbaciones" de Venus y la Tierra son siempre más fuertes y, a menudo, mucho más fuertes que cualquier efecto guía o estabilizador de Mercurio.

Pregunta: Entonces me pregunto, ¿tiene sentido hablar de los puntos de libración triangulares de Mercurio (L4, L5)? Además de la pregunta vinculada, ¿alguna vez ha habido alguna misión propuesta o incluso una discusión seria sobre estos lugares? ¿O es mejor considerarlos como pistas falsas mecánicas orbitales?


a continuación: secuencia de comandos de python y resultados utilizando el paquete Skyfield . Los puntos en la última gráfica son years = 2024.14cuando Venus se acerca más que Mercurio.

ingrese la descripción de la imagen aquí

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class Ob(object):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from skyfield.api import Loader, Topos, EarthSatellite

load = Loader('~/Documents/YourNameHere/SkyData')

data = load('de421.bsp')
ts   = load.timescale()

days  = np.arange(365.2564*5)
times = ts.utc(2020, 1, days)
times_trailing = ts.utc(2020, 1, days-88./6)
years = 2020 + days/365.2564

names = ['sun', 'mercury', 'venus',
         'earth barycenter', 'mars barycenter',
         'jupiter barycenter', 'saturn barycenter',
         'uranus barycenter', 'neptune barycenter']

obs = []
for name in names:
    ob = Ob(name.split()[0])
    obs.append(ob)
    ob.ob = data[name]


for ob in obs:
    ob.pos = ob.ob.at(times).ecliptic_position().km
    if ob.name == 'mercury':
        ob.pos_trailing = ob.ob.at(times_trailing).ecliptic_position().km

sun, mercury, venus, earth, mars = obs[:5]
jupiter, saturn, uranus, neptune = obs[5:]

GMs = [1.32712440018E+20, 2.2032E+13, 3.24859E+14,
       3.986004418E+14 + 4.9048695E+12,
       4.282837E+13, 1.26686534E+17, 3.7931187E+16,
       5.793939E+15, 6.836529E+15]

for ob, GM in zip(obs, GMs):
    ob.GM = GM

for ob in obs:
    rsq = ((ob.pos - mercury.pos_trailing)**2).sum(axis=0)
    ob.F = ob.GM / rsq
    ob.r = np.sqrt(rsq)

if 1 == 1:
    fig = plt.figure()

    ax = fig.add_subplot(2, 1, 1)
    for ob in obs[1:4]:
        ax.plot(years, ob.F, label=ob.name)
    # ax.legend()
    ax.set_title('acceleration (m/s^2)', fontsize=16)
    ax.get_xaxis().get_major_formatter().set_useOffset(False)
    ax.text(2020.2, 0.01, 'Mercury')
    ax.text(2020.2, 0.04, 'Earth')
    ax.text(2020.2, 0.13, 'Venus')

    ax = fig.add_subplot(2, 1, 2)
    for ob in obs[1:4]:
        ax.plot(years, ob.r, label=ob.name)
    # ax.legend()
    ax.set_title('distance (m)', fontsize=16)
    ax.get_xaxis().get_major_formatter().set_useOffset(False)
    ax.text(2020.2, 0.4E+08, 'Mercury')
    ax.text(2020.2, 0.7E+08, 'Venus')
    ax.text(2020.2, 2.2E+08, 'Earth')

    fig.suptitle("in Mercury's orbit trailing by 88/6 days", fontsize=16)

    plt.show()

if 1 == 1:
    fig = plt.figure()
    ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
    for ob in obs[1:4]:
        x, y, z = ob.pos
        ax.plot(x, y)
    i = np.argmax(venus.F)
    for ob in obs[1:4]:
        x, y, z = ob.pos
        ax.plot(x[i:i+1], y[i:i+1], 'ok')
    x, y, z = mercury.pos_trailing
    ax.plot(x[i:i+1], y[i:i+1], 'or')
    x, y, z = sun.pos
    ax.plot(x, y, '-k', linewidth=4)
    ax.set_xlim(-2E+08, 2E+08)
    ax.set_ylim(-2E+08, 2E+08)

    # ax.legend()
    ax.set_title('ecliptic projection (m)', fontsize=16)

    fig.suptitle("in Mercury's orbit trailing by 88/6 days", fontsize=16)

    plt.show()
Si lo ejecuta durante un período de varios años (simulados), ¿cómo es la estabilidad?
@RussellBorogove esa es una buena pregunta. Respuesta corta; probablemente no sea más o menos estable que una órbita heliocéntrica de tamaño similar que ignora a Mercurio por completo, ¡o incluso al propio Mercurio! Respuesta completa; un cálculo así sería divertido pero esto no es eso, no es una simulación. Puse fijo un "objeto ficticio" que viaja exactamente por el mismo camino que las efemérides del JPL ponen a Mercurio, pero exactamente 88/6 días detrás de él. En realidad, es solo un "olfateador" para verificar la fuerza relativa de las fuerzas.
@RussellBorogove El resultado sorprendente es que la influencia de Mercurio en un cuerpo independiente sería mucho más pequeña que la de los otros dos planetas que cuestiona toda la idea de que haya un punto de Lagrange significativo allí.
¿Hay algún punto cerca de Mercurio, o del Sol, que reconozca satélites/observatorios que permitirían observaciones de cometas y asteroides viniendo alrededor del Sol y estando en puntos ciegos de las redes de seguimiento? ¿O estoy siendo demasiado ambicioso?
@templerman ¡Creo que puede ser una excelente pregunta nueva! STEREO (ver también 1 , 2 ) cubre los puntos ciegos porque se mueven alrededor del Sol lejos de la Tierra, pero en la órbita de la Tierra. Entonces, su pregunta también se refiere a si es importante estar tan cerca como Mercurio o no.
@templerman vea también las imágenes de SOHO aquí y aquí .
No es que importe mucho, pero ¿es correcto poner fijo un "objeto ficticio" que viaja exactamente por el mismo camino ? Cuando Mercurio está en el perihelio, al mismo tiempo L4 y L5 también están a la misma distancia del Sol en una órbita circular, no en la órbita elíptica de Mercurio.

Respuestas (2)

Tienes razón, los puntos de libración Sol-Mercurio (los cinco) son meras curiosidades matemáticas de un hipotético sistema de dos cuerpos. Como ha calculado, los efectos gravitatorios reales de Venus y la Tierra (ambos mucho más grandes que Mercurio, pero también más lejos) hacen que la aproximación de dos cuerpos sea "menos que útil" para cualquier sistema del mundo real.

Incluso los puntos de libración estables de la Tierra y la Luna (siendo L5 el más conocido) no son exactamente útiles: si lee las discusiones sobre las colonias espaciales de la Alta Frontera de O'Neill , notará que no se sientan en (por ejemplo) L5, pero más bien sigue órbitas en forma de mancuerna a su alrededor debido a la gravedad del Sol. Incluso eso es una aproximación porque no tiene en cuenta la gravedad de los otros planetas, pero su efecto es en gran medida inundado por la gravedad del Sol y generalmente se deja fuera de las discusiones actuales donde las colonias son (actualmente) solo estudios de diseño. Sin embargo, una vez que haya varias colonias en L5, puedes apostar a que su administración tomará cada¡Tenga en cuenta el efecto que pueden medir para asegurarse de que no haya colisiones!


EDITAR

Los cálculos que derivó Lagrange que llevan su nombre son para un sistema de dos cuerpos , y como sus propios resultados indican, Mercurio y el Sol no pueden considerarse un sistema de dos cuerpos debido a otros objetos masivos cercanos: Venus y la Tierra. Por lo tanto, los cálculos de Lagrange no son aplicables y, como resultado , L1 - L5 básicamente no existen con respecto a Mercurio.

No estoy seguro de que de los puntos de libración Tierra-Luna, L4 y L5 sean los más conocidos, considerando que ha habido dos misiones reales a ellos y ambas fueron a EML2 . Creo que te refieres a más conocidos por los lectores de ciencia ficción.
Me refiero a los más conocidos por la población en general: el trabajo de O'Neill hizo mucho para popularizar L5, sospecho que la mayoría de las personas no conocen L4, ahora que lo pienso, modificaré mi respuesta. La ventaja de L4 y L5 es que son gravitacionalmente estables : algo que se coloque allí retrocederá hacia el punto de libración, pero las cosas en L1-L3 necesitan un mantenimiento activo para lidiar con las perturbaciones.
Gracias de nuevo por su respuesta. Como soy un fanático obsesivo de las respuestas obtenidas y se acaba de publicar una, debería aceptarla en su lugar.
Bastante justo, no publiqué mis resultados, lo que haría bastante difícil citarlos. :)
"Incluso los puntos de libración Tierra-Luna (siendo L5 el más conocido) no son exactamente útiles", no estoy de acuerdo. Las sondas Artemis ( solarsystem.nasa.gov/missions/artemis/in-depth ), CAPSTONE y Lunar Gateway están todas ahí. Están bastante bien investigados.
@ChrisR ni CAPSTONE ni Lunar Gateway están allí, a partir de 2021, ambas son misiones planificadas , y el éxito de la misión CAPSTONE es un precedente requerido para Lunar Gateway.
Correcto, no debería haber usado el tiempo presente. ¿Puede señalar que el CAPSTONE es un requisito para el Gateway? Trabajé mucho en lo primero y nunca escuché eso...
En el primer párrafo de nasa.gov/directorates/spacetech/small_spacecraft/capstone leo "Como precursor de Gateway, un puesto de avanzada en órbita lunar que es parte del programa Artemis de la NASA, CAPSTONE ayudará a reducir el riesgo para futuras naves espaciales..." en el que basé mi declaración. Quizás fui un poco agresivo en mi interpretación de "un precursor" como "un precedente requerido"...
La página que citó también afirma que las sondas ARTEMIS estuvieron solo temporalmente en los puntos L1 y L2 de la Tierra-Luna, ahora están en órbitas contrarrevolución alrededor de la Luna.

La Referencia 1, citando la Referencia 2, informa que los hipotéticos asteroides de tipo troyano son invariablemente inestables en los puntos propuestos de Mercurio L4 y L5, mientras que las libraciones estables del punto de Lagrange al menos durante millones de años están disponibles en los puntos L4/L5 de Venus y Venus. Tierra (+ Luna). Las predicciones se hicieron en la década de 1990. El descubrimiento de los troyanos de la Tierra y Venus, pero no (hasta ahora) de ningún troyano de Mercurio, parece corroborar las predicciones.

Si es cierto, significa que los puntos L4 y L5 de Mercurio no tienen ningún significado celestial real, ya que no podrían atrapar asteroides en libración.

Referencias

1. R. Dvorak y J. Henrad, The Dynamical Behavior of our Planetary System: Proceedings of the Fourth International Alexander von Humboldt Colloquium on Celestial Mechanics , 17-23 de marzo de 1996 (Springer Science & Business Media, 1997), p. 160.

2. S. Mikkola y K. Innanen, "Una exploración numérica de la evolución de las órbitas de asteroides de tipo troyano". Astron. J., 104 (1992), 1641–1649.