¿Hay mucha basura espacial en los puntos de Lagrange Tierra-Luna?

Para agregar a otras respuestas, los puntos de Lagrange L1-L2 son inestables porque necesitan seguir la velocidad radial de los dos cuerpos principales mientras se orbitan entre sí, en nuestro caso, la Tierra en una órbita heliocéntrica alrededor del Sol, pero ninguno de ellos es realmente a la altitud orbital correspondiente a su velocidad radial (demasiado lento en L1 y demasiado rápido en L2). Dado que la órbita de la Tierra no es exactamente circular (excentricidad orbital de ~ 0,017), su altitud también cambiará ligeramente durante un período orbital. Este es un caso menor con L4-L5, y posiblemente también con L3, dependiendo de la excentricidad orbital de los cuerpos principales, y es donde podemos encontrar a Trojan e Hilda .familia de asteroides, respectivamente. Todos estos puntos de Lagrange también pueden verse perturbados por la influencia gravitacional de otros astros en el sistema, por ejemplo, la órbita de Júpiter e incluso la de la Luna en el caso de los puntos L1-L2 Sol-Tierra. Y esto, por supuesto, se trata de inestabilidades en el vector de velocidad a lo largo del cuerpo principal M1. Ortogonal a él y hacia los cuerpos M1 y M2, es solo el punto de inflexión en la dirección hacia M1 o M2.

Simplificando un poco, de lo que estoy hablando es que la velocidad heliocéntrica (usando$v_o \approx {2 \pi a \over T}$) estarán$\text{SEL1} \approx 29.49\ \text{km/s}\ \ $y$\text{SEL2} \approx 30.08\ \text{km/s}\ \ $, donde la velocidad orbital de la Tierra es$v_o \approx 29.78\ \text{km/s}\ \ $. Esta diferencia será mantenida por los puntos de silla L1-L3, no muy diferente a surfear en la punta de una ola. Cualquier movimiento lateral inclinará su equilibrio hacia uno de los dos cuerpos principales (M1 o M2).

Por lo tanto, es necesario gestionar las órbitas de los satélites de puntos de Lagrange, lo que generalmente se conoce como mantenimiento de la estación orbital . Los efectos de estas perturbaciones e inestabilidades pueden compensarse un poco colocando satélites de punto de Lagrange en órbitas de Halo o Lissajous y usando inserción orbital de precisión, pero ni siquiera estos serán estables sin usar propulsores a bordo y correcciones en sus órbitas. Cualquier desecho orbital o satélites desaparecidos completos eventualmente girarán en espiral hacia la Tierra ( vea la actualización de esta respuesta , pero tienen demasiado impulso orbital para caer realmente hacia el Sol, ya que su período orbital en realidad coincide con el de la Tierra, pero su semi-principal eje hacia el Sol no lo hace por alrededor de ± 1,5 millones de kilómetros o aproximadamente ± 1%).

TL; DR : Todo esto significa que los puntos L1 y L2 esencialmente estarían libres de desechos orbitales a largo plazo. Y con L3-L5, a menos que los cuerpos allí se formaron a partir del mismo disco protoplanetario y comparten la misma velocidad radial que se requiere para permanecer en esa altitud, casi no hay posibilidad de que cualquier otro cuerpo con una energía orbital significativamente diferente sea capturado en esos puntos. Pero si colocamos satélites deliberadamente allí, cualquier residuo de ellos permanecería allí por mucho más tiempo que con los puntos L1 y L2 (y quizás L3, como se mencionó anteriormente).

Editar : Aparentemente, inicialmente leí mal la pregunta y estaba respondiendo por los puntos de retraso Sol-Tierra en lugar de los de Tierra-Luna. De acuerdo, no hay problema, la mayoría de los problemas siguen siendo los mismos en teoría, solo que los puntos de silla L1-L3 son aún más inestables. La excentricidad orbital de la Luna es ~ 0,055, por lo que los puntos L1-L3 se mueven aún más a lo largo del eje Tierra-Luna. En promedio, EML1 está a 326 380 km de la Tierra y 58 019 km de la Luna, EML2 448 914 km y 64 515 km respectivamente, y sus velocidades serían (de nuevo, promedio) ~ 0.87 y 1.2 veces la velocidad orbital promedio de la Luna (1.022 km /s). Están aún más perturbados, especialmente por el propio Sol y la complejidad de la órbita de la Luna en relación con el Sol (sin embargo, nunca se curva sobre sí mismo en bucles, contrariamente a las creencias populares).

Aquí hay una bonita imagen que representa los puntos de lagrange Tierra-Luna:

    ^{Los puntos de Lagrange para el sistema Tierra-Luna. Crédito: David A. Kring, LPI-JSC Center for Lunar Science and Exploration}

Y así es como se veían las órbitas EML1 y EML2 de la nave espacial P1 de la misión ARTEMIS (Aceleración, Reconexión, Turbulencia y Electrodinámica de la Interacción de la Luna con el Sol) de Lissajous:

     ^{La vista desde arriba de las órbitas de ARTEMIS mientras hacen la transición de las órbitas de Lissajous en forma de riñón a ambos lados de
     la luna a orbitar alrededor de la luna. Crédito: NASA/Centro de Vuelo Espacial Goddard}

    ^{Ilustración de las órbitas de liberación de Artemis-P1, vista lateral o eclíptica. Crédito: NASA/Goddard}

Fuentes:

• Calculadora de puntos de Lagrange: Orbitsimulator.com
• Blog de mala astronomía: La Luna que subió una colina pero bajó un planeta
• NASA: la nave espacial ARTEMIS se prepara para la órbita lunar
• NASA: ARTEMIS - El primer orbitador de libración Tierra-Luna

Los puntos de Lagrange L1, L2 y L3 son estables en dirección prograda y retrógrada, pero inestables en el eje radial. Eso significa que cualquier objeto en estos puntos se alejará en dirección radial a menos que use pequeñas cantidades de empuje para equilibrarse en estos puntos, por lo que cualquier concentración de masa natural o escombros en estos puntos es imposible.

Solo los puntos L4 y L5 son estables, y los objetos, los llamados "troyanos" , tienden a orbitar estos puntos. También hay uno que orbita la Tierra/Sol L4: 2010 TK ₇ . Es raro que los troyanos orbiten cerca de los puntos de Lagrange. La razón es que estos puntos solo serían 100% estables cuando el Sol y la Tierra fueran los únicos objetos en el sistema solar. Pero debido a la influencia gravitacional de los otros planetas, un objeto estacionado exactamente en L4 o L5 sería arrastrado lenta pero constantemente desde su punto y terminaría en una órbita a su alrededor.

Los puntos L4 y L5 de la Luna/Tierra parecen estar limpios, excepto por algunas tenues nubes de polvo , e incluso se cuestiona su existencia.

Hay una serie de misiones que se han dirigido a varios de los puntos de Lagrange, consulte Wikipedia para obtener una buena lista. Veamos lo que se necesita para permanecer allí:

• James Webb : propuesto para el punto L1, solo puede llevar suficiente combustible para una misión de 10 años.
• Telescopio espacial Hershel : se movió deliberadamente de L2 a heliocéntrico porque "la nave espacial estaría en una caída lenta, alejándose de su órbita L2 estable, sujeta a la presión de la radiación solar. Y como las estaciones terrestres de la ESA ya no se comunicaban con ella, entonces Básicamente, quería comprobar las órbitas y asegurarse de que, para la ciencia futura, no se detectara por error como un asteroide".

Nunca ha habido una misión L3, pero sigue el mismo tipo de lógica, se requiere el uso de combustible para mantener esa órbita y, como resultado, no debería quedar una gran cantidad de escombros allí.