Um ponto de Lagrange é um local no espaço onde as forças gravitacionais combinadas de dois grandes corpos, como a Terra e o Sol ou a Terra e a Lua, igualam a força centrífuga sentida por um terceiro corpo muito menor

Diagrama dos pontos de Lagrange associados ao sistema Sol-Terra. Crédito da imagem: NASA / WMAP Science Team

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A interação das forças cria um ponto de equilíbrio onde uma espaçonave pode ser "estacionada" para fazer observações.

Esses pontos têm o nome de Joseph-Louis Lagrange, um matemático do século 18 que escreveu sobre eles em um artigo de 1772 sobre o que chamou de "problema dos três corpos". Eles também são chamados de pontos Lagrangianos e pontos de liberação.   

Estrutura dos pontos de Lagrange

Existem cinco pontos de Lagrange em torno de corpos principais, como um planeta ou uma estrela. Três deles estão ao longo da linha que conecta os dois grandes corpos. No sistema Terra-Sol, por exemplo, o primeiro ponto, L1, fica entre a Terra e o Sol a cerca de 1 milhão de milhas da Terra. L1 tem uma visão ininterrupta do sol e atualmente é ocupada pelo Observatório Solar e Heliosférico (SOHO) e o Observatório de Clima do Espaço Profundo. 

L2 também fica a um milhão de milhas da Terra, mas na direção oposta do sol. Neste ponto, com a Terra, a lua e o sol atrás dele, uma espaçonave pode obter uma visão clara do espaço profundo. A Sonda de Anisotropia por Microondas Wilkinson da NASA (WMAP) está atualmente neste local medindo a radiação cósmica de fundo que sobrou do Big Bang. O Telescópio Espacial James Webb se moverá para esta região.

O terceiro ponto de Lagrange, L3, fica atrás do sol, oposto à órbita da Terra. Por enquanto, a ciência não encontrou um uso para este local, embora a ficção científica tenha.

“É improvável que a NASA encontre qualquer uso para o ponto L3, já que ele permanece escondido atrás do sol o tempo todo”, escreveu a NASA em uma página da web sobre os pontos Lagrange. “A ideia de um 'Planeta-X' oculto no ponto L3 tem sido um tópico popular na escrita de ficção científica. A instabilidade da órbita do Planeta X (em uma escala de tempo de 150 anos) não impediu Hollywood de produzir clássicos como 'O Homem do Planeta X'”.

L1, L2 e L3 são todos pontos instáveis com equilíbrio precário. Se uma espaçonave em L3 se aproximasse ou se afastasse da Terra, ela cairia irreversivelmente em direção ao Sol ou à Terra, "como uma carroça mal equilibrada no topo de uma colina íngreme", de acordo com o astrônomo Neil DeGrasse Tyson. A nave espacial deve fazer pequenos ajustes para manter suas órbitas.

Os pontos L4 e L5, no entanto, são estáveis, "como uma bola em uma tigela grande", de acordo com a Agência Espacial Europeia. Esses pontos encontram-se ao longo da órbita da Terra a 60 graus à frente e atrás da Terra, formando o ápice de dois triângulos equiláteros que têm as grandes massas (Terra e o Sol, por exemplo) como seus vértices.

Devido à estabilidade desses pontos, poeira e asteroides tendem a se acumular nessas regiões. Os asteroides que circundam os pontos L4 e L5 são chamados de Trojans em homenagem aos asteroides Agamenon, Aquiles e Heitor (todos os personagens da história do cerco de Tróia) que estão entre Júpiter e o Sol. A NASA afirma que existem milhares desses tipos de asteroides encontrados em nosso sistema solar, incluindo o único asteroide Trojan conhecido da Terra, 2010 TK7.

L4 e L5 também são pontos possíveis para uma colônia espacial devido à sua relativa proximidade com a Terra, pelo menos de acordo com os escritos de Gerard O'Neill e pensadores relacionados. Nas décadas de 1970 e 1980, um grupo chamado L5 Society promoveu essa ideia entre seus membros. No final dos anos 1980, ela se fundiu em um grupo que agora é conhecido como National Space Society, uma organização de defesa que promove a ideia de formar civilizações além da Terra.

L4 e L5 correspondem aos topos das colinas e L1, L2 e L3 correspondem às selas (ou seja, pontos onde o potencial está se curvando para cima em uma direção e para baixo na outra). Isso sugere que os satélites colocados nos pontos de Lagrange terão uma tendência a se perder (experimente sentar uma bola de gude em cima de uma melancia ou em cima de uma sela de verdade e você entendeu). Mas quando um satélite estacionado em L4 ou L5 começa a rolar para fora da colina, ele ganha velocidade. Nesse ponto, a força de Coriolis entra em ação - a mesma força que faz os furacões girarem na Terra - e envia o satélite para uma órbita estável em torno do ponto de Lagrange. Crédito da imagem: NASA / WMAP Science Team

Benefícios dos pontos Lagrange

Se uma espaçonave usa um ponto Lagrange próximo à Terra, há muitos benefícios na localização, disse Amy Mainzer do Laboratório de Propulsão a Jato. 

Mainzer é a principal investigadora do NEOWISE, uma missão que busca asteroides próximos à Terra usando a espaçonave Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) que orbita perto de nosso planeta. Uma espaçonave colocada em um ponto de Lagrange seria capaz de fazer mais, disse Mainzer.

Longe da interferência do calor e da luz do sol, uma espaçonave caçando asteroides em um ponto de Lagrange seria mais sensível aos minúsculos sinais infravermelhos dos asteroides. Ele poderia apontar para uma ampla gama de direções, exceto muito perto do sol. E não precisaria de refrigeração para se manter frio, como o WISE exigiu para a primeira fase de sua missão entre 2009 e 2011 - o próprio local permitiria o resfriamento natural. O Telescópio Espacial James Webb aproveitará o ambiente térmico no ponto L2 sol-Terra para ajudar a manter a temperatura ambiente.

L1 e L2 também “permitem que você tenha uma largura de banda enorme” porque no rádio de banda Ka convencional, as velocidades de comunicação são muito altas, disse Mainzer. “Caso contrário, as taxas de dados ficarão muito lentas”, disse ela, já que uma espaçonave em órbita ao redor do Sol (conhecida como órbita heliocêntrica) acabaria se afastando da Terra.

A ciência do ponto de Lagrange

Vários observatórios astronômicos estão localizados em pontos de Lagrange e os da Terra estão apontados para eles, proporcionando um ponto de vista de nosso planeta e espaço que você não pode obter de perto. Os cientistas também realizam estudos periódicos de pequenos corpos que ocorrem naturalmente em pontos de Lagrange. Veja alguns resultados científicos recentes:

Em 2016, a NASA lançou um vídeo da Terra girando durante um ano inteiro. O lapso de tempo foi baseado em 3.000 fotos tiradas a cada duas horas pela câmera EPIC do satélite Deep Space Climate Observatory (DSCOVR), que estava em L1. Além de mostrar belas vistas, o EPIC fornece aos cientistas métricas sobre o clima, como altura da nuvem, refletividade ultravioleta ou níveis de ozônio e aerossol.  

Em fevereiro de 2017, a missão OSIRIS-REX - então a caminho do asteroide Bennu - passou cerca de 10 dias procurando asteroides Trojan adicionais em pontos de Lagrange próximos à Terra. "Isso seria a coisa mais fascinante que poderíamos descobrir", disse o cientista-chefe da missão Dante Lauretta, cientista planetário do Laboratório Lunar e Planetário da Universidade do Arizona, a um grupo de consultoria científica da NASA em janeiro. A pesquisa não revelou nenhum novo cavalo de Tróia, mas talvez outra espaçonave olhe novamente no futuro.

Um estudo de 2017 sugere que os asteroides Trojan próximos a Marte são do planeta, e não asteroides capturados de outras regiões do espaço. A prova fumegante é que pelo menos três dos nove asteroides troianos de Marte são ricos em olivina. Este mineral é raro em asteroides, mas comum em corpos maiores (incluindo Marte, que o possui em bacias de impacto). Embora a Terra e Vênus também tenham olivina, disse o autor principal David Polishook, pesquisador do Instituto Weizmann em Israel, que é muito mais fácil para Marte capturar asteroides de sua própria superfície. 

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Recursos adicionais

• Agência Espacial Europeia: O que são pontos Lagrange?
• Sonda de anisotropia por micro-ondas Wilkinson da NASA: os pontos de Lagrange
• Neil DeGrasse Tyson: The Five Points of Lagrange (revista de História Natural)
• Leia este artigo escrito (com equações matemáticas) por Neil J. Cornish da equipe Wikinson Microwave Anistropy Probe.

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Referência:

HOWELL, Elizabeth. Lagrange Points: Parking Places in Space. Space, 21, ago. 2017. Disponível em: <https://www.space.com/30302-lagrange-points.html>. Acesso em: 11, out. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.