Os pontos de Lagrange são cinco posições no espaço onde as forças gravitacionais e o efeito centrífugo se compensam. Descobertos matematicamente por Joseph-Louis Lagrange (1736-1813), eles surgem do estudo do problema restrito de três corpos. As condições de equilíbrio são expressas anulando a aceleração resultante \(\vec{a} = \vec{g}_1 + \vec{g}_2 + \vec{a}_{\text{centrífuga}}\).
O problema restrito de três corpos designa uma configuração onde dois corpos massivos seguem uma órbita determinada por sua gravitação mútua, enquanto um terceiro corpo, de massa desprezível, move-se em seu campo gravitacional combinado sem perturbar a dinâmica dos dois primeiros. Essa aproximação conserva as simetrias essenciais do sistema e revela a existência de cinco zonas de equilíbrio dinâmico, os pontos de Lagrange, cuja estabilidade local pode ser analisada no referencial em rotação. Permite determinar as direções estáveis ou instáveis, as frequências de libração, sem ter que abordar o problema geral de três corpos, intrinsecamente caótico e sem solução.
L1, L2 e L3 são pontos de equilíbrio apenas em aparência: na realidade, são quase instáveis, de modo que a menor perturbação (pressão de radiação, variações gravitacionais) inicia uma deriva progressiva.
Nesse regime instável, um pequeno desvio cresce naturalmente até expulsar o objeto da superfície de equilíbrio. O tempo característico para que essa amplificação alcance uma amplitude significativa é curto na escala orbital: da ordem de algumas semanas a alguns meses, dependendo da massa dos corpos envolvidos e da natureza das perturbações externas.
A estabilidade de L4 e L5 depende da relação entre as duas massas que criam esses pontos de equilíbrio. Define-se para isso um número, denotado 𝜇, que mede "quanto" a massa menor pesa em relação ao total. Se essa relação for inferior a um valor crítico (≈ 0,0385), então L4 e L5 tornam-se zonas quase estáveis. Para o par Terra-Sol, esse valor (≈ 3 × 10-6) é muito inferior ao valor crítico. Isso explica por que os pontos L4 e L5 do sistema Sol-Terra são estáveis, capazes de reter objetos como os asteroides troianos.
No entanto, um objeto colocado perto de L4 ou L5 não permanece imóvel; ele "oscila" em torno do ponto de equilíbrio, um pouco como uma bolinha que gira em uma cavidade. Enquanto essas oscilações permanecerem pequenas, o objeto permanece preso na região, descrevendo uma curva fechada em forma de "girino", um loop arredondado ao redor do ponto de equilíbrio "a cabeça" e uma "cauda" que se estende ao longo da órbita principal.
O objeto deixa essa zona apenas se suas oscilações se tornarem grandes demais: ele então cruza uma fronteira dinâmica chamada "separatriz". Esse crescimento é muito lento, pois ocorre por meio de um fenômeno de difusão caótica: pequenas perturbações, que se acumulam ao longo de dezenas de milhares de órbitas, acabam aumentando gradualmente a amplitude das oscilações, até a ejeção.
| Ponto | Tipo de equilíbrio | Duração da estabilidade | Sondas ou telescópios |
|---|---|---|---|
| L1 | Equilíbrio instável | Algumas semanas a alguns meses | SOHO (ESA/NASA, 1995): estudo do Sol e do vento solar ACE (NASA, 1997): análise do vento solar e partículas energéticas DSCOVR (NOAA/NASA, 2015): monitoramento meteorológico espacial e vento solar Wind (NASA, 1994): estudo do plasma solar e magnetosfera Hinode (JAXA, 2006): observação solar de alta resolução Solar Orbiter (ESA/NASA, 2020): imagens do Sol e vento solar polar Parker Solar Probe (NASA, 2018): exploração da corona solar |
| L2 | Equilíbrio instável | Algumas semanas a alguns meses | James Webb Space Telescope (NASA/ESA/CSA, 2021): infravermelho e cosmologia Planck (ESA, 2009-2013): fundo cósmico de micro-ondas Herschel (ESA, 2009-2013): observação infravermelha Gaia (ESA, 2013-): mapeamento 3D da Via Láctea WMAP (NASA, 2001-2010): anisotropias do fundo cósmico Euclid (ESA, previsto 2024): energia escura e estrutura em grande escala SPICA (proposto): missão de infravermelho distante |
| L3 | Equilíbrio instável | Algumas semanas a alguns meses | Nenhuma missão operacional |
| L4 | Equilíbrio estável | Milhares a milhões de anos | Observação de asteroides troianos (como 624 Hektor) Missões previstas: Lucy (NASA, 2027): estudo de asteroides troianos de Júpiter |
| L5 | Equilíbrio estável | Milhares a milhões de anos | Projeto Earth Trojan Survey: detecção de troianos terrestres Missões futuras previstas para estudar troianos e estabilidade orbital |
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