ラグランジュ点
fig-5Ls
ラグランジュ点(ラグランジュてん、Lagrangian point(s)、略称:L 点)とは、天体力学における円制限三体問題の5つの平衡解、すなわち天体と天体の重力で釣り合いが取れる「宇宙の中で安定するポイント」である。名はその存在を18世紀後半にレオンハルト・オイラーと共に確認したジョゼフ=ルイ・ラグランジュにちなむ。
ラグランジュポイントはあらゆる天体系に存在する可能性があるため、どの天体を基準にしたものかについて常に意識する必要がある。例えば後述の木星トロヤ群の例は恒星 - 惑星の系だが、土星の衛星の例は惑星 - 衛星の系である。地球が関連するラグランジュ点についても太陽 - 地球の系を指す場合と地球 - 月の系を指す場合ではラグランジュ点の位置が異なるため、しばしば注意を要する。
SFではしばしばラグランジュ・ポイントと表現され、『機動戦士ガンダム』の影響もあって知られるようになった。
ある天体Eの周りを何らかの天体Aが回っているとし、EとA以外に天体がない場合、Aが描くべき軌道は簡単に導くことが可能である。このとき、Aは楕円軌道を描く。この問題を二体問題といい、その解はすでにアイザック・ニュートンによって知られていた。例えばEを地球として、Aを小惑星など地球の引力に束縛された何らかの天体とすると、他に天体が存在しないならばAの軌道は二体問題を解くことによって求められる。
しかし、さらに別の天体Mがある場合には、問題は二体問題に比べて遥かに難しくなる。A, E, Mの3つの天体が重力によって影響し合っているときに、それら天体の軌道を決定する問題は三体問題と呼ばれる問題の特別な場合にあたるが、一般に三体問題は解析的に解けないことが知られている。たとえば前述の地球と小惑星の二体問題に、天体Mとして月を加えたものは三体問題に属する。
Aの質量が他の2天体EとMの質量に比べ無視できるほど小さいという条件下では、Aが特殊な位置にあればAはその位置(EやMから見た相対位置)に留まっていられることが知られている。このような位置をラグランジュ点という。より正確にはラグランジュ点とは、EのAへの重力、MのAへの重力、Aの重心系から見た遠心力の3つが釣り合っている点のことをいう。このような点ではAにかかる力は釣り合っているので、Aはその位置に留まり続けることができる。
ラグランジュ点は全部で5つあることが知られており、いずれもEとMの軌道を含む平面内にある。それぞれ L1, L2, L3, L4, L5と表され、1~3はEとMを結ぶ直線上にあり、残りの4・5はEとMの双方から60度の位置にある。つまりL3・L4・ L5はそれぞれ120度ずつ離れている。L1・L2を挟む形で存在するL4とL5の2つを特にトロヤ点 (trojan points) と呼ぶ。「トロヤ点」とは、太陽と木星のラグランジュ点に存在する数千個(以上)の小惑星群(木星のトロヤ群)を構成する小惑星の一部に、トロイア戦争における英雄の名が付けられたことに由来する。同時に、小惑星群は「トロヤ群」とも呼ばれる。トロヤ点とトロヤ群は、ラグランジュ点を持つあらゆる天体とその衛星について存在し得る。
ラグランジュ点はまずレオンハルト・オイラーが1760年頃にトロヤ点以外を発見し、その後ジョゼフ=ルイ・ラグランジュが1772年にトロヤ点を見つけ、同時に解を示すための条件も緩めた。
彼らの成果は運動方程式を解くことで理論的に得られたもので、実際にラグランジュ点に天体が留まっている例が確認されている。
ラグランジュ点はスペースコロニーを建設する軌道の候補でもある。ジェラルド・オニールはコロニーを地球と月のラグランジュ点に作ることでコロニーの軌道を安定させるというアイデアを述べている。
2つの物体が両者の共通重心の周りをそれぞれ円軌道を描いて回っている場合、この2体に比べて質量が無視できるほど小さな第三の物体をある速度を与えてこの軌道面内に置くと、最初の2体との相対位置を変えずに回り続けられるような位置が5つ存在する。2体の共通重心を中心としてこれらと同じ周期で回転する座標系から見ると、ラグランジュ点では2体が作る重力場が遠心力と釣り合っている。このために第3の物体は2体に対して不動のままでいることができる。各点は L1, L2, L3, L4, L5 と呼ばれる(図参照)。
1760年頃、オイラーが制限三体問題の解として、主星と伴星を結ぶ直線上にある L1, L2, L3 までの解を発見した。これらはオイラーの直線解と呼ばれる。その後、ラグランジュが1772年に『三体問題に関するエッセイ』Essai sur le problème des trois corps という論文を発表し、オイラーの解は一般の三体問題の場合にも成り立つこと、主星・伴星を一辺とする正三角形の頂点 L4, L5 も解(三角解)であることを示した。この業績によってラグランジュとオイラーはこの年のフランス科学アカデミー賞を共同受賞した。
5つのラグランジュ点はそれぞれ以下のように定義される。
L1 は質量 M 1 と M 2 の 2 物体を結ぶ直線上で 2 体の間に存在する。
例:
地球よりも太陽に近い軌道を回る物体は地球よりも短い公転周期を持つが、これは地球から重力で引かれる効果を無視した場合の話である。物体がちょうど地球と太陽の間にあると、地球の重力の効果によって、物体が太陽に引かれる力は弱められる。物体が地球に近ければ近いほどこの効果は大きい。この効果によって L1 では物体の公転周期が地球の公転周期とちょうど等しくなっている。
太陽 - 地球系の L1 は太陽の観測を行うのに理想的な場所である。この位置にある物体は決して地球や月に遮られることがないからである。太陽・太陽圏観測衛星 (SOHO: Solar and Heliospheric Observatory) はL1の周りのハロー軌道に位置している。地球 - 月系の L1 は最小限の軌道変更で月軌道や地球軌道へ入ることができるため、荷物や人員を月へ行き来させるための中間有人宇宙ステーションの場所として理想的である。
L2 は質量の大きい 2 体を結ぶ線上で、小さい天体の外側に位置する。
例:
太陽からみて地球より遠くにある物体は、通常地球よりも長い公転周期を持つ。しかし、その物体が太陽と地球を通る直線上にあり、太陽から見て地球の裏側にある場合には、太陽に加えて地球の重力からも余計に引っ張られるために公転周期は短くなる。この効果によって公転周期が地球と等しくなる点が、太陽 - 地球系の L2である。
太陽 - 地球系のL2は、地球によって太陽が遮られるために宇宙空間での観測を行うのに良い場所である。L2付近にある物体から見ると太陽と地球が同じ方向にあるので、太陽光を遮光することによって観測結果の較正を行いやすくなる。ただし、太陽の陰に定置すると太陽光発電の効力が著しく低下するために、実際はL2付近に滞留させて、陰では観測を、陰の外では発電をする運用が望ましくなる。例えば、NASA の WMAP は太陽 - 地球系のL2で観測を行った。NASA の宇宙望遠鏡であるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡も太陽 - 地球系の L2 に置かれている。
地球 - 月系の L2 は月の裏側をカバーする通信衛星の位置として都合が良い。
従星 M2 の質量が主星 M1 に比べて非常に小さい場合には、L1とL2はM2からほぼ等しい距離 r の位置になる。これはヒル圏 (Hill sphere) の半径に等しく、以下の式で表される。
r \approx R \sqrt[3]{\frac{M_2}{3 M_1}
ここで R は2体間の距離である。
この半径 r は次のような距離である。M1がなかった場合、半径 r の円軌道でM2を回る物体の軌道周期は、M2がM1の周囲を回る公転周期の\frac{1}{\sqrt 3} \approx 0.58 である。
例:
太陽 - 地球系: 地球から約150万 km
地球 - 月系: 月(平均公転半径 384,400 km)から 61,500 km
L3 は2体を結ぶ直線上で質量の大きい天体の外側に位置する。
例:
3番目のラグランジュ点であるL3は地球から見て太陽の裏側にあり、太陽からの距離は太陽から地球までよりもやや近い。この位置では地球と太陽が引っ張る力が合わさることによって、地球と同じ公転周期になっている。
太陽 - 地球系のL3は、SFや漫画で「反地球」が存在する場所としてしばしば設定された(ただし現実では、公転軌道が厳密には円でなく楕円であることから、もし存在したら皆既日食の時などに観測可能であるので、単にL3にあるという理由だけで観測不可能とするのは完全にフィクション)。
L4 と L5 は、正三角形解またはトロヤ点などと呼ばれる。2体の位置を底辺とする正三角形の 3番目の頂点の位置にあり、伴星が主星の周りを公転する軌道上で伴星に先行あるいは追従する。公転の中心は主星‐伴星系の共通重心にあり、主星の重力と伴星の重力の合力が共通重心への向心力として働く点が、三角解点である。軌道長半径は主星‐伴星間距離よりわずかに短く、伴星の軌道長半径よりわずかに長い。
主星の質量が伴星の質量の24.96倍(\frac{25 + 3 \sqrt{69} }{2}の結果)以上ならば L4 と L5 は安定な均衡点となる。
例:
太陽-地球系のL4とL5は地球が太陽を回る公転軌道上で地球の60度先行した位置と60度後ろの位置にある。L4 と L5 は後述するように摂動に対して安定な平衡点であるため、1969年にジェラルド・オニールの提案したスペースコロニーの設置場所候補として採用された。このためSF作品においては、地球-月系のラグランジュ点と並んで、スペースコロニーの設置場所として描かれることがある。
オイラーが得た 3 つのラグランジュ点は 2 体を結ぶ直線に垂直な平面内でのみ安定である。これは L1 での場合を考えると分かりやすい。L1 に置いたテスト粒子を中央の直線に垂直な方向にずらすと、元の平衡点に戻ろうとする方向に力を受ける。これは 2 体の重力の横方向の成分が足し合わされて引き戻す力を生むためである。一方、軸に平行な成分は互いに釣り合って打ち消し合う。
L1 に置いた物体を 2 体のどちらかに近づくようにずらすと、近づいた方の物体から受ける重力は強まり、より近くへと引っ張られる。これは潮汐力の場合と非常に似ている。
L1, L2, L3 は名目上は不安定な平衡点だが、少なくとも制限三体問題では、これらの点の近くに安定な周期軌道が存在することが分かっている。これは完全な周期軌道で、ハロー軌道と呼ばれる。太陽系のような制限なしの多体力学系にはこの軌道は存在しない。しかし、準周期的な(束縛されているが正確に同じ軌道を繰り返し描くわけではない)リサジュー軌道はN体系にも存在している。
この準周期軌道はこれまで行われたラグランジュ点を使う全ての宇宙ミッションで実際に使われてきた。この軌道は完全に安定ではないが、比較的小さな労力で長期にわたって目的のリサジュー軌道に宇宙機を留めておくことができる。また、少なくとも太陽‐地球系の L1 を使うミッションでは、厳密に L1 に宇宙機を置くよりも大きな振幅 (100,000 – 200,000 km) を持つリサジュー軌道に置いた方が実際に好都合であることが分かっている。なぜなら、この軌道に置くと宇宙機は太陽と地球を結ぶ直線から外れた位置に保たれるため、地球と宇宙機との通信に太陽が干渉する影響を減らすことができるからである。
対照的に、L4 と L5 は 2 体の質量比 M 1/M 2 が \frac{25 + 3 \sqrt{69} }{2} \approx 24.96 より大きければ安定な平衡点になる。
太陽-地球系や地球-月系など、たいていの場合で 2 体の質量比はこの条件を満たしているので、そのような系ではこの 2 点は安定である。L4, L5 に置かれた物体に摂動を与えると物体は平衡点から離れるが、物体が運動を始めるとコリオリの力が働いて物体の軌跡を曲げ、(回転する座標系から見て)インゲン豆型の安定な軌道を描く。
太陽-木星系では、トロヤ群と呼ばれる数千個の小惑星が太陽-木星系の L4, L5 に位置する軌道を持っており、それぞれ「前トロヤ小惑星群」「後トロヤ小惑星群」という名称が付けられている。太陽-土星系や太陽‐火星系、木星とその衛星の系、土星とその衛星の系にも同様の天体が発見されている。太陽‐地球系のトロヤ点には大きな天体は見つかっていないが、星間塵の雲がL4とL5を取り巻いていることが1950年代に発見されている。また、コーディレフスキー雲と呼ばれる、対日照よりもずっと淡いとされる塵の雲が地球 - 月系の L4, L5 に存在するとする説もある。
土星の第3衛星テティスは L4 と L5 に2つの小さな衛星テレスト(第13衛星)とカリプソ(第14衛星)を持っている。また、第4衛星ディオネもヘレネ(第12衛星)という衛星を L4 に、ポリデウケス(第34衛星)を L5に持っている。これらの衛星はトロヤ衛星と呼ばれ、ラグランジュ点の周りを方位角方向に動き回る。ポリュデウケスが最もずれが大きく、土星-ディオネ系の L5 から最大で 32 度離れる。テティスやディオネはラグランジュ点に引き連れている衛星たちよりもずっと質量が大きく、土星はこの2つの衛星よりもさらにずっと大きい。このためにこれら全体の系は安定になっている。
地球の同期軌道天体である小惑星クルースンはある意味トロヤ群天体に似た軌道で地球のそばを回っているが、トロヤ群と全く同じではない。むしろ、クルースンはある2つの太陽周回軌道の片方を占めていて、地球と接近遭遇することによって周期的に2つの軌道を乗り換えていると言うのが正しい。この小惑星は地球に近づくと地球から軌道エネルギーを得てより半径の大きなエネルギーの高い軌道に移る。しばらくすると、地球がこの小惑星に追いついて逆に小惑星からエネルギーを奪い、小惑星はより半径の小さく軌道周期の短い軌道に落ちる。そしてまた地球と遭遇して外側の軌道に移る、というサイクルを繰り返している。このエネルギーの移動によって地球の公転周期、つまり1年の長さはほとんど影響を受けない。これは地球の質量はクルースンの200億倍も大きいため。
土星の第10衛星ヤヌスと第11衛星エピメテウスも同様の関係にあるが、この2つの衛星はほぼ同じ質量なので実際に周期的に互いの軌道が入れ替わる(ヤヌスの方が約4倍重いが軌道が変わるには十分なほど軽い)。また別の同様の状況として軌道共鳴という現象がある。これは軌道運動をしている天体同士が相互作用によって単純な整数比の軌道周期を持つようになったものである。
地球表面における地峡・海峡など地理的重要地点の支配が地政学的検討の対象となったことが拡張されて、同様の観点が、地球周辺の宇宙空間のコントロールについても主張される。エヴェレット・C・ドールマンの『宇宙時代の地政戦略---アストロポリティックスによる分析』には、ラグランジュ点についての論及がある。「地球や宇宙にある特定の場所をコントロールできると、その効率性の面からもかなり有利な立場を得ることができるし、ここをコントロールするものは交易面でも軍事面でも支配的になれる」という。2018年5月に中国が世界初のラグランジュ点を周回する通信衛星鵲橋を打ち上げ、2019年1月3日には嫦娥4号による人類史上初の月の裏への着陸に成功した際は地政学的・軍事的な狙いを懸念する声もあがった。