地月系统能加一个天然卫星构成稳定的双卫星吗?


题主之所以提这个问题,可能是基于三体问题不可解。但其实,三体问题有一些较稳定的轨道,或者说,在某些情况下,一些轨道可以稳定相当长的时间。

比如我们发射一颗人造卫星,主要绕地球旋转,相对月球较远,当然可以有稳定的轨道。或者我们载人登月,在登月之前进入绕月轨道,也与之类似。

下面这个图比较形象,你可以理解为日地月,当然也可以理解为有一颗围绕月亮旋转的卫星。同样,更有可能设置一颗卫星,让它的轨道围绕地球。具体这个运动能稳定多久,要比较希尔球。

下面这个图也有点类似,只不过黄星和紫星质量相近,互为双星。

接下来,我就要扯拉格朗日点(L 点)了。总共有 5 个拉格朗日点,如下图。关于什么是拉格朗日点就不赘述了,想了解的看后面的几个链接。

拉格朗日点就是引力平衡点,5 个拉格朗日点里,只有 L4,L5 比较稳定。但在 L2,L3 点也可以通过设计找到比较稳定的轨道,比如我们的“鹊桥”就位于地月 L2 点。

嫦娥登月背任务,鹊桥的作用不可或缺。

鹊桥并不严格位于 L2 点上,而是位于一个“晕轮轨道”(Halo orbit),那就是让航天器围绕着拉格朗日点旋转,虽然 L2 点不稳定,却可以找到这样一条较稳定的轨道,它与地月轨道平面垂直。从地球上看,在这个轨道上运行的航天器仿佛在围绕月球运动,如同给月球增加了一圈月晕,“晕轮轨道”因此得名。

“鹊桥”距 L2 点的距离超过 3500 公里,恰好让地球上的人可以看到,月球背面与地面实时通信的困难得到完美的解决。

鹊桥(queqiao)实际上是绕着 L2 点转,它处于一个晕轮轨道(halo orbit)上。

L4,L5 点是真正稳定的引力平衡点,下面这个图极好的演示了这种稳定轨道。

这种天体在太空中比比皆是,最有名当属木星身边的“希腊营”和“特洛伊营”,那可是一大波小行星!到 2000 年 1 月份,总共发现了 257 个“特洛伊小行星”。而到了 2018 年 10 月份,已经有 4601 颗“希腊营”小行星和 2439 颗“特洛伊营”小行星被发现了,据推测,在 L4、L5 点每个地方都可能有 20 万个左右直径大于 2 公里的“特洛伊小行星”。

太阳到木星(Jupiter)之间的太阳系,白色为小行星带,下方绿色的小行星为“希腊营”,左边绿色的小行星为“特洛伊营”。

谁能想到,我们地球也有个伴呢。2010 年 10 月,NASA 的宽视野红外望远镜发现一颗直径约 300 米的天体,它的轨道在日地 L4 点处附近,往地球方向和日地 L3 点方向小幅度震荡。后来它被命名为 2010 TK7。它的轨道如下图:

看到它了吗?右下角绿色的小圈里就是它。

上世纪 60 年代,波兰天文学家柯迪莱夫斯基提出,在地月的 L4、L5 点,也存在由大量尘埃聚集而成的云气,这些气体云也因而被称为“柯迪莱夫斯基云”。他号称自己早在 1956 年就观测到了这团气体云,后来在 1961 年 3 月 6 日和 4 月 6 日,他又成功地在靠近 L5 的平衡点上拍摄到两片光斑。

“柯迪莱夫斯基云”极其微弱,在地球上很难观测到,但在沙漠、海上或山上,碰到异常黑暗和晴朗的夜空,用肉眼就可以看到。

“柯迪莱夫斯基云”仍然有谜团,1992 年,日本人的一个探测器途经地月 L5,并没有发现这里的尘埃密度较空旷的太空有明显的提升。

“柯迪莱夫斯基云”真的存在吗?

看来,地月系统之间不存在天然的卫星,这毕竟已成事实。当然,这不代表,增加一个天然的卫星不可以得到稳定的轨道,理由之前都有了。

让我们再遥望一下已经被降级的冥王星,那里又有些什么样的神奇呢?众所周知它和冥卫一卡戎互绕旋转,如下图。

但其实,冥王星共有五颗卫星呢,所以啊,在山高皇帝远的太阳系外端,天高海阔凭鱼跃。地球之所以只有一颗较大的卫星,还是因为距离太阳太近,希尔球太小的缘故。


对拉格朗日点和希尔球感兴趣的可以参考这几个链接:

鲁超:拉扯出的奇异之点——拉氏点(1)鲁超:拉扯出的奇异之点——拉氏点(2)告诉你嫦娥 4 号有多牛逼鲁超:拉扯出的奇异之点——拉氏点(3)“反地球”和“忒瑞亚”,神奇不?鲁超:拉扯出的引力之球——希尔球

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