El telescopio James Webb y los puntos de Lagrange

Casualmente dos de las misiones espaciales más destacadas lanzadas en el último trimestre de 2021 tienen algo en común: Los llamados puntos de equilibrio de Lagrange, conocidos por L1, L2, L3, L4 y L5.

La sonda Lucy, que fue lanzada el 13 de octubre, visitará asteroides situados en L4 y L5 de la órbita de Júpiter y el telescopio espacial James Webb que el día de navidad salió rumbo a los alrededores del punto L2 de la Tierra.

Situación de los puntos de Lagrange. Habitualmente se representan los 5 con un único astro, pero en este caso he utilizado los dos planetas para recoger la situación real en las dos misiones, aunque las órbitas no están proporcionadas, como tampoco la situación de los 3 primeros puntos en cuanto a su distancia a la Tierra, siendo solamente un esquema.

De las dos misiones citadas, hoy me voy a referir a la segunda que en orden de importancia y eco mediático debe ser la primera, y próximamente escribiré sobre Lucy y sus objetivos.

El telescopio espacial listo para su lanzamiento, junto a científicos y operarios que lo han hecho posible, y dan una idea de su envergadura. a pesar de tener el espejo plegado.

El James Webb es el telescopio espacial más ambicioso, que sustituirá al ya añoso Hubble, tiene una gran sensibilidad y resolución, observará en el infrarrojo y su capacidad será tal que podrá observar más lejos que ningún otro, lo que significará captar las primeras estrellas que se formaron en el universo y las primeras galaxias. La luz de los objetos más lejanos tarda mucho en llegar, por lo que es equivalente mirar lejos a mirar atrás en el tiempo.

Tiene otros muchos objetivos, que puedes encontrar en numerosos artículos o reseñas en la red y que junto a las vicisitudes del lanzamiento y otros temas técnicos mejor que yo lo puede contar el experto en astronáutica Daniel Marín en su blog Eureka, pero antes de nada hay que decir que el lanzamiento ha sufrido numerosos aplazamientos y se ha encarecido. Inicialmente se pensó en lanzarlo en 2007 y se hizo una estimación de un coste de 1600 millones de dólares, pero finalmente se ha lanzado 15 años más tarde habiendo sobrepasado los 9500 millones.

Lanzamiento del telescopio espacial por medio de un Ariane 5

Cuando llegue al punto L2 de la Tierra (un mes después del lanzamiento) no se quedará exactamente allí porque es inestable, sino que lo orbitará según una trayectoria contenida en un plano inclinado respecto a a la eclíptica.

Puntos de equilibrio de Lagrange

El lanzamiento de estas dos misiones son una buena excusa para hablar de los puntos de Lagrange:

Si tenemos dos astros el de menor masa girará alrededor del mayor siguiendo una elipse o, mejor dicho, ambos girarán alrededor del centro de masas. Pero si hay más de dos que interaccionen gravitatoriamente la órbita es muy complicada. En el caso de que sus masas sean muy diferentes, las órbitas casi circulares y el más pequeño gire también alrededor del mayor, el matemático franco-italiano Lagrange dedujo que existen 5 puntos donde se compensaban las atracciones de los dos mayores sobre el tercero, con la fuerza centrífuga de éste considerando un sistema de referencia que gire a la vez que los dos cuerpos mayores, de manera que se moverá alrededor del primero con la misma velocidad angular que el segundo, solidariamente con él.

Los 5 puntos de Lagrange

Para entender más fácilmente la mecánica de estos puntos en el sistema Sol-Tierra conviene recordar que prescindiendo de la atracción de la Tierra:

- Un objeto situado en órbita alrededor del Sol a una distancia del mismo igual a la de la Tierra, se movería a su misma velocidad.

- Si estuviera en una órbita más externa se movería más despacio, y si se ubicara en una órbita más interna lo haría más deprisa

Prescindiendo nuevamente de la atracción de la Tierra:

- Para que un objeto situado en una órbita más externa que el planeta se moviese a su misma velocidad angular, la masa del Sol debería ser mayor, y si está en una órbita más interna la masa debería ser menor:

Sin embargo, un objeto situado en los puntos L1, L2 o L3 se movería alrededor del Sol a la misma velocidad angular que la Tierra, a pesar de que están a distinta distancia de la estrella que nuestro planeta, porque influye también la atracción de la Tierra:

¿Por qué se equilibran las fuerzas? Todo es cuestión de la atracción gravitatoria del Sol y de la Tierra y la fuerza centrífuga del objeto, pero para no utilizar una terminología rigurosa y complicada, de una manera coloquial puede decirse que:

- Un objeto situado en L1 debería moverse alrededor del Sol más deprisa que la Tierra por tener una órbita más interna. Pero, se movería a esa velocidad si el Sol tuviese menos masa, y por ello su fuerza de atracción fuese menor. Al estar situada la Tierra en la parte opuesta, realiza una atracción al objeto que contrarresta parte de la fuerza que realiza el Sol, como si éste tuviera menos masa. La distancia desde la Tierra para que eso ocurra es de 1.48 millones de km.

- Un objeto situado en L2 se debería mover más lento que la Tierra, a no ser que la masa del Sol fuera mayor. En este caso la atracción de la Tierra se suma a la del Sol porque están en la misma dirección y el efecto es como si el Sol tuviera más masa. Dicho punto está a 1.51 millones de km de la Tierra.

Estos puntos de Lagrange, o mejor dicho sus proximidades, son adecuados para colocar satélites artificiales, y actualmente ya hay varios funcionando por allí. Entre otros en las cercanías de L1 fueron colocados el SOHO y Génesis y en L2 WMAP o GAIA  

- Teóricamente un objeto en L3 soportaría una situación similar a L2, ya que también aquí la atracción del Sol y de la Tierra tienen la misma dirección, pero hay una diferencia, y es que la Tierra está mucho más lejos y apenas aporta casi nada a la suma con la atracción del Sol. Eso lo mantendría prácticamente en la misma órbita terrestre, pero en realidad el objeto se mueve no alrededor del centro del Sol, sino del centro de masas del sistema Tierra-Sol por lo que está ligerísimamente más cerca del Sol que la Tierra, a 1.495 millones de km.

El centro de la órbita es el centro de masas del Sol y el planeta, y el punto L3 está un poco más cerca del centro del Sol que del centro de la órbita del planeta.

El punto L3 en el sistema Sol-Tierra fue un lugar popular utilizado para ubicar una "Contra-Tierra", en libros de ciencia ficción. Si allí hubiera algo, no podríamos verlo desde aquí.

Estos 3 puntos son inestables, de manera que aunque en teoría un objeto colocado allí se mantendría teniendo en cuenta solo la atracción de la Tierra y del Sol, con una mínima perturbación producida por la atracción de otro astro saldrían de ese lugar definitivamente. Por eso el telescopio James Webb no quedará exactamente en L2, sino que se moverá a su alrededor en una órbita de halo como otros ingenios astronómicos, que no es totalmente estable y hay que gastar energía para mantenerse en ella:

Si se coloca una nave en órbita alrededor del Sol más lejos de esos 1.51 millones de km desde la Tierra  donde está L2, se moverá más lenta que nuestro planeta (hacia atrás respecto a L2) y curiosamente si se coloca más cerca que L2 aunque esté en una órbita más grande que la de la Tierra, en principio se movería más rápida que ella. Esto puede ser utilizado para describir órbitas en torno a L2, aunque como se ha dicho, no serían totalmente estables.

Dejo para un próximo artículo (ya está publicado)  a la sonda Lucy y la explicación de los puntos L4 y L5, que sin duda son más interesantes que estos de hoy.