¿Por qué el telescopio espacial James Webb debería permanecer en la inestable L2?

Todos sabemos que el lanzamiento del telescopio espacial James Webb está previsto para 2018. Se ha decidido que la órbita de JWST será elíptica alrededor del punto de Lagrange L2, que ha sido declarado como uno de los puntos inestables (L1, L2, L3 ).

Entonces, ¿por qué debería orbitar el punto?

Tengo algunos puntos. Los instrumentos del telescopio son bastante sensibles y siempre deben mantenerse alejados del Sol (¿En serio? ¿Es así?) y también en un ambiente frío; L2 satisface ambos. Wikipedia dice esto:

Las fuerzas gravitatorias combinadas del Sol y la Tierra pueden sostener una nave espacial en este punto, por lo que, en teoría, no se necesita empuje de un cohete para mantener una nave espacial en órbita alrededor de L2. En realidad, el punto estable es comparable al de una pelota en equilibrio sobre una silla de montar. A lo largo de una dirección, cualquier perturbación impulsará la pelota hacia el punto estable, mientras que en la dirección de cruce, la pelota, si es perturbada, se alejará del punto estable. Por lo tanto, se requiere algo de mantenimiento de la estación, pero con poca energía gastada (solo 2–4 m/s por año, del presupuesto total de 150 m/s)

Primero, ¿es realmente estable? Si eso es tan inestable en realidad, ¿por qué debería colocarse allí? Quiero decir, los puntos L4 y L5 están bien. ¿Por qué no se puede colocar el telescopio de tal manera que siempre mire hacia afuera del Sol? (La tierra también, si no quieren que el reflejo de ella se agriete)

@geoffc: "... ¿el sol se pone así?" Es por eso que mencioné "posicionado mirando hacia afuera del sol". En mi humilde opinión, creo que se puede hacer ;-)
@PearsonArtPhoto Sí, estaba pensando en L3 más que en L4/L5. Consulte en.wikipedia.org/wiki/Co-orbital_configuration Ignore mi comentario, puede eliminarlo.
@CrazyBuddy: sobre el requisito de mantener las naves espaciales alejadas del Sol. ¡Oh diablos, sí! El telescopio operará, según Wikipedia, a "aproximadamente 40 K (−233,2 °C; −387,7 °F)". En el espacio, a la distancia del Sol donde operará el JWST, la exposición a la luz solar directa lo calentaría hasta unos 200 °C en cuestión de minutos. Esto lo haría inútil.
Totalmente de acuerdo, todos sabemos que se lanzará en 2018.

Respuestas (3)

Hay un par de razones.

  1. La distancia de la L2 a la Tierra es de solo 1,5 millones de km. Los L4/L5 están a 1 AU, o a unos 150 millones de km de distancia. Eso lleva a una reducción en el margen del enlace de 40 db, o 1/10000. Eso es bastante significativo. Para compensar esa diferencia, necesita una antena de radio más grande, más potencia o una pérdida de datos.
  2. Como mencionó, el uso de combustible es bastante bajo para mantener esa posición, solo del orden de 150 m / s delta v para toda la misión. Eso no es mucho y, de hecho, es menos de lo que se requiere para mantener un satélite en órbita geoestacionaria .
  3. El satélite está mucho más cerca, lo que reduce el tiempo para comandar un objeto. La luz solo tardará 5 segundos en llegar a James Webb, mientras que tardará 9 minutos en llegar a L4/L5. Esto limita la capacidad de realizar comandos en tiempo real, que ocasionalmente son útiles (piense en ráfagas de rayos gamma, supernovas, etc.).

La conclusión es que el problema de la comunicación se simplifica con un telescopio más cercano, y eso compensa con creces tener que usar un poco más de combustible.

...y si alguna vez tuvieron que arreglar algo, hipotéticamente hablando, por supuesto, robóticamente o tripulados, las mismas ventajas de L2 también se aplican aquí.

Creo que es como dice el subartículo de Wikipedia sobre L2 :

El Sol-Tierra L2 es un buen lugar para los observatorios espaciales. Debido a que un objeto alrededor de L2 mantendrá la misma posición relativa con respecto al Sol y la Tierra, el blindaje y la calibración son mucho más simples.

Si bien esto es cierto, lo mismo es cierto para casi todos los puntos L.
Blindaje @PearsonArtPhoto : L2 permanece en la sombra de la Tierra, lo que significa que no hay reflejos del sol.
@SF., no hay ninguna sombra en la órbita de JW: space.stackexchange.com/a/4111/2843 . El blindaje es más fácil que en LEO cuando hay un objeto de envío de IR cálido muy grande que gira alrededor del telescopio en ángulos aleatorios: hay demasiados choques térmicos cada hora y es imposible tener EarthShield (activo y de rotación rápida) para esconderse de térmica radiación de la Tierra para espejos criogénicos. La "sombra" de la Tierra en escala: en.wikipedia.org/wiki/Umbra,_penumbra_and_antumbra#Penumbra "El cono completo se extiende sobre 1,32 millones de km", y L2 es de 1,5 millones. Y la órbita del halo L2 está a 100 km del punto L2.
@osgx: eso solo significa que no hay umbra completa. L2 permanece en antumbra lo que reduce severamente la cantidad de luz que llega al punto. Eso es definitivamente diferente a "ninguna sombra", a diferencia de cualquier otro punto Lagrangiano Tierra-Sol.
@SF. y todavía JWST (y otros observatorios) están en órbita de halo 100s kilómetros, tratando de mantener su camino lejos de la antumbra y la penumbra el mayor tiempo posible. Gaia - issfd.org/ISSFD_2014/ISSFD24_Paper_S2-5_Renk.pdf " desventaja de los eclipses... maniobra para evitar eclipses... eclipse parcial... es indeseable con respecto al equilibrio térmico "; JWST - ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20160001318 " Requisitos significativos que afectan al JWST... la evitación de cualquier eclipse de Tierra/Luna ... ninguno permitido, controlador de restricción: energía y térmica "

En cuanto a la estabilidad, L2 es inestable en la dirección radial : si la sonda está un poco más cerca o un poco más lejos en el eje Sol-Tierra, será empujada aún más por la gravedad.

Sin embargo, L2 es estable en el plano perpendicular , es por eso que en alguna animación lo ves orbitando L2 en el plano perpendicular al eje Sol-Tierra: la gravedad lo atraerá hacia L2.

Ver este post para una explicación detallada.

¿Conoces la tercera dirección? Supongo que lo expresaría precisamente así. L2 traza una órbita alrededor del sol. Imagine que el JWST está en un punto de esta órbita a 1,5 millones de km del punto L2 real. ¿La gravedad lo empujará hacia L2? (El hecho de que esté orbitando alrededor de L2 me hace pensar que seguramente debe ser así, pero no entiendo cómo).
Perdón por no ser exacto :) Cuando digo "dirección perpendicular" me refiero a "plano perpendicular". Entonces dirección radial = 1 dirección inestable, plano perpendicular = 2 direcciones estables. Además, al hablar de estabilidad, no olvide que estamos en un referencial rotativo. La gravedad no atraerá a la nave espacial hacia L2 por sí sola. Es una combinación de la gravedad y las fuerzas de Coriolis lo que constituye los puntos de Lagrangian.
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