Trong không gian, có những vị trí nơi mà các lực cân bằng nhau để tạo ra quỹ đạo ổn định cho các thiên thể nhỏ và cho chính các vệ tinh nhân tạo của con người mà các nhà khoa học gọi là các điểm Lagrange.
Các điểm Lagrange (Lagrangian point) được đặt tên theo Joseph-Louis Lagrange (1736 - 1813) - một nhà toán học và thiên văn học người Italia. Một cách dễ hiểu nhất, một điểm Lagrange là một vị trí trong vùng quỹ đạo của hai thiên thể lớn chuyển động quanh nhau dưới tác dụng của lực hấp dẫn (chẳng hạn hệ Mặt Trời-Trái Đất, hệ Trái Đất-Mặt Trăng, hệ Mặt Trời-Sao Mộc,...) mà ở đó một vật thể có khối lượng không đáng kể (thiên thạch, tiểu hành tinh loại nhỏ, vệ tinh nhân tạo,...) có thể nhận được lực hấp dẫn từ hai thiên thể lớn vừa đủ để duy trì quỹ đạo ổn định so với hai thiên thể lớn.
Trong hình ảnh dưới đây, bạn có thể thấy vị trí của 5 điểm Lagrange được ký liệu lần lượt là L1, L2, L3, L4 và L5. Trong 5 điểm này thì có 3 điểm là L1, L2 và L3 nằm trên đường nối hai vật thể lớn. Các điểm này tồn tại trên quỹ đạo của mọi cặp vật thể chuyển động quanh nhau nhờ hấp dẫn, sau đây trong các phần giải trình, chúng ta sẽ lấy cụ thể ví dụ là hệ Mặt Trời-Trái Đất.
Nguồn hình ảnh: Từ điển Thiên văn học và Vật lý thiên văn.
Trong hệ hai vật thể Trái Đất-Mặt Trời mà chúng ta xét tới cũng như với những hệ khác tương tự, luôn có 3 điểm Lagrange nằm trên đường nối của hai thiên thể.
Điểm L1 nằm giữa Trái Đất và Mặt Trời. Thông thường, một vật thể có khối lượng không đáng kể so với Mặt Trời sẽ có chu kỳ quỹ đạo ngắn hơn khi ở gần Mặt Trời hơn, có nghĩa là một tiểu hành tinh vô tình có quỹ đạo ở gần Mặt Trời hơn hoặc một vệ tinh nhân tạo được đưa vào quỹ đạo quanh Mặt Trời ở khoảng cách đó sẽ nhanh chóng vượt qua Trái Đất. Tuy nhiên, mặc dù Trái Đất rất nhỏ so với Mặt Trời, lực hấp dẫn của nó vẫn không thể bỏ qua, và vì lực hấp dẫn giảm theo bình phương khoảng cách nên vật thể ở càng gần Trái Đất và xa Mặt Trời thì tỷ lệ giá trị của lực hấp dẫn do Trái Đất và do Mặt Trời tác động lên nó càng lớn. Ở khoảng cách vừa đủ, lực hấp dẫn của Trái Đất sẽ cân bằng với hấp dẫn của Mặt Trời vừa đủ để làm giảm vận tốc quỹ đạo của vật thể khiến nó di chuyển quanh Mặt Trời (hay chính xác là quanh khối tâm chung của hệ) với cùng chu kỳ như Trái Đất. Với hệ Mặt Trời-Trái Đất thì vị trí này là khoảng 1/100 khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời tính từ Trái Đất, tức là cách Trái Đất 0,01 AU (khoảng 1,49 triệu km).
Ngược lại với L1, điểm L2 nằm cũng nằm thẳng hàng với hai thiên thể lớn nhưng ở phía bên kia của Trái Đất, gần như đối xứng chính xác với L1. Trong trường hợp này, một vật thể ở vị trí L2 nằm xa Mặt Trời hơn Trái Đất, do đó lẽ ra nó cần có quỹ đạo dài hơn. Tuy vậy, ngoài Mặt Trời thì nó còn chịu thêm hấp dẫn từ Trái Đất, ở đây thì lực hấp dẫn của Trái Đất lại có tác dụng bổ sung thêm thay vì làm giảm bớt tác dụng của hấp dẫn từ Mặt Trời. Do đó ở khoảng cách vừa đủ, tổng của hai lực hấp dẫn này khiến cho vật thể ở L2 tăng tốc trên quỹ đạo vào chuyển động cùng chu kỳ với Trái Đất. Khoảng cách của L2 cũng tương tự như L1, tức là cách Trái Đất khoảng 0,01 AU. (Tỷ lệ khoảng cách này có khác ở các hệ khác)
L3 là một điểm thú vị khi mà nó nằm đối xứng với Trái Đất qua Mặt Trời. Ở khoảng cách tới Mặt Trời tương tự như với Trái Đất và nằm ở phía đối diện, nó có chu kỳ quỹ đạo trùng với Trái Đất. Tuy nhiên L3 luôn nằm phía sau Mặt Trời khi nhìn từ Trái Đất, việc đó khiến cho không có bất cứ kính thiên văn nào ngày nay có thể quan sát được khu vực đó. Điều này đã tạo điều kiện cho những tác giả viễn tưởng và những người giàu trí tưởng tượng có thêm bằng chứng cho sự tồn tại của một hành tinh X nào đó ẩn nấp sau Mặt Trời. Hiển nhiên, điều đó là vô lý vì không có bằng chứng nào về tương tác của một hành tinh như vậy lên quỹ đạo của các hành tinh lân cận như Sao Hỏa và Sao Kim, nhưng thực tế là việc không quan sát được trực tiếp vẫn là một cái cớ để nhiều người dựa vào đó mà tuyên truyền cho giả thuyết về hành tinh ẩn. Dù sao, việc đó có lẽ sẽ sớm được sáng tỏ với những dự án nghiên cứu tương lai của con người, chẳng hạn như khi người ta có thể đưa kính thiên văn tới Sao Hỏa và từ đó hướng về phía điểm L3 của Trái Đất.
L4 và L5 là hai điểm khá khác biệt so với ba điểm nói trên. Chúng là hai điểm trên quỹ đạo Trái Đất mà mỗi điểm trong số chúng lại là đỉnh của một tam giác đều với hai đỉnh còn lại là Trái Đất và Mặt Trời. Ở vị trí này, một vật thể sẽ có chu kỳ quỹ đạo trùng với Trái Đất. Nhưng điều đặc biệt hơn là ở chỗ L4 và L5 có tính ổn định bền, thay vì ổn định tạm thời như L1, L2 và L3. Điều đó có nghĩa là đối một vật thể nằm ở vị trí L1, L2 hoặc L3, nếu vì một lý do nào đó (có rất nhiều nhiễu loạn trên quỹ đạo, chẳng hạn như quỹ đạo Trái Đất cũng không phải một đường hoàn toàn cố định) khiến khoảng cách của chúng thay đổi, đi lệch ra khỏi điểm L1, L2 hoặc L3 này thì nó sẽ dễ dàng bị tách khỏi quỹ đạo. Điều này lý giải vì sao không có các vật thể tự nhiên nằm ở các điểm đó. Trong khi đó, ở L4 và L5, các vật thể nhỏ nhận lực hấp dẫn từ Trái Đất và Mặt Trời theo hai hướng khác nhau, tạo ra sự cân bằng phù hợp để khi vật thể dịch chuyển lệch ra một chút, nó sẽ được kéo trở lại để bảo đảm rằng vị trí của nó tuy không cố định nhưng luôn dao động trên một khu vực nhất định quanh điểm L4 hoặc L5.
Để hiểu một cách trực quan về tính ổn định bền của điểm L4 và L5 mà L1, L2 và L3 không có, hãy tưởng tượng ba điểm kém ổn định này tới trò chơi kéo co, khi mà một bên ở đây là lực hấp dẫn của Trái Đất và Mặt Trời còn phía còn lại là lực ly tâm trên quỹ đạo của thiên thể. Khi hai lực này cân bằng nhau thì hai bên dường như đang giữ thế ổn định, nhưng chỉ cần một dao động nhỏ khiến điểm giữa của sợi dây kéo co được kéo về một phía, sự mất cân bằng sẽ xảy ra rất nhanh. Trong khi đó ở trường hợp của L4 và L5, một vật thể có vị trí ở đó không chỉ chịu hai lực ngược chiều mà ở đây là 3 lực theo ba hướng khác nhau, tức là mỗi sự dịch chuyển về hướng nào đó sẽ bị giữ lại bởi hai hướng còn lại, khiến vật thể có thể dao động rất phức tạp nhưng sẽ không tách hẳn khỏi khu vực quanh hai điểm này.
Ý nghĩa của các điểm Lagrange
Vì các điểm L1, L2 và L3 không có tính ổn định bền, các vật thể tự nhiên không thể tồn tại ở đó trong thời gian dài, và vì thế không có những vật thể như vậy trong các điểm này ở quỹ đạo của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời, cũng như ở quỹ đạo của Mặt Trăng. Mặc dù vậy, với các thiết bị nhân tạo có thể tự điều chỉnh thì các điểm L1 và L2 tỏ ra rất hữu ích. Một thiết bị của con người có thể được đưa tới vị trí này và với một chút điều chỉnh khi cần thiết có thể chuyển động quanh Mặt Trời mà vẫn ở vị trí cố định so với Trái Đất để nhận và gửi thông tin. Những ví dụ điển hình của các thiết bị được đưa tới hai điểm này là đài quan sát không gian SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) của NASA và ESA ở L1 để quan sát và nghiên cứu Mặt Trời; các thiết bị để quan sát vũ trụ từ điểm L2 như Herschel, Planck và tới đây là kính thiên văn không gian James Webb.
Trong khi đó, hai điểm L4 và L5 hoàn toàn phù hợp để các vật thể không gian có thể cư ngụ ở khu vực quanh đó và giữ quỹ đạo ổn định. Những vật thể tự nhiên ở các điểm này được biết tới nhiều nhất là ở hai điểm L4 và L5 của Sao Mộc. Cho tới cuối năm 2018, đã có hơn 7000 tiểu hành tinh (hầu hết là loại nhỏ) được xác định trong hai khu vực nêu trên của Sao Mộc. Ba tiểu hành tinh lớn nhất trong nhóm này là Agamemnon, Achilles và Hector. Đây là tên của ba dũng sĩ nổi tiếng tham gia trận chiến thành Troy (hay Troia) trong thần thoại Hy Lạp. Vì thế tất cả các tiểu hành tinh ở L4 và L5 của Sao Mộc cũng như của bất cứ thiên thể nào khác trong Hệ Mặt Trời được gọi chung là các Trojan. Cụ thể hơn, đối với các trojan của Sao Mộc (hình minh họa ở đầu bài viết), các nhà thiên văn còn chia thành hai nhóm: nhóm ở L4 gọi là "trại Hy Lạp" (Greek Camp) còn nhóm ở L5 gọi là "trại Troy" (Trojan Camp) lấy ý tưởng từ việc cuộc chiến thành Troy diễn ra giữa quân Troy và quân Hy Lạp. Cho tới nay (2018), các nhà khoa học cũng đã phát hiện được 1 trojan của Sao Kim, 4 của Sao Hỏa, 1 của Sao Thiên Vương và 17 của Sao Hải Vương. Trái Đất cũng đã có 1 trojan được phát hiện, có tên là 2010 TK7. Đây là 1 tiểu hành tinh có đường kính được ước tính là khoảng 300 mét, chuyển động đồng hành với Trái Đất ở khu vực điểm L4
Mô phỏng quỹ đạo của 2010 TK7. Quỹ đạo của Trái Đất là đường đứt đoạn màu xanh nước biển, trong khi quỹ đạo của 2010 TK7 là đường màu xanh lá cây, cho thấy một chuyển động rất phức tạp nhưng vẫn dao động quanh điểm L4. Nguồn hình ảnh: NASA.
Với đặc điểm ổn định và góc nhìn bao quát được với mọi khu vực quỹ đạo vốn không quan sát được từ Trái Đất, các điểm L4 và L5 trên quỹ đạo Trái Đất sẽ là điểm đến lý tưởng cho các chương trình không gian tương lai để đặt các đài quan sát. Tuy nhiên, vấn đề ở đây vẫn là "tương lai", vì các điểm này đều ở rất xa (tương đương với khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời). Với công nghệ ngày nay, việc đưa các thiết bị tới đó sẽ rất tốn kém và nhiều rủi ro.
Tháng 10 năm 2018
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Đọc thêm để nắm rõ hơn nội dung trong bài:
- Nguyên lý chuyển động của các hành tinh
- Khối tâm trong quỹ đạo thiên thể
