Από τη Γη στη Σελήνη: Το χρονικό ενός μεγάλου ταξιδιού…

Πώς φτάσαμε στην πρώτη επανδρωμένη επίσκεψη του ανθρώπου στη Σελήνη;

Πριν από 48 χρόνια πραγματοποιήθηκε ένα από τα μεγαλύτερα τεχνολογικά επιτεύγματα του ανθρώπου: η επανδρωμένη επίσκεψη ανθρώπων στον φυσικό μας δορυφόρο. Στην ανάρτηση αυτή παρουσιάζεται, σε συνέχειες, μία συμπυκνωμένη περιγραφή της μεγάλης αυτής προσπάθειας με αποσπάσματα από τον Οδηγό της Παράστασης του Ευγενιδείου Πλανηταρίου που είχε τίτλο “Από τη Γη στη Σελήνη” (Διονύσης Σιμόπουλος και Αλέξης Δεληβοριάς, Αθήνα: Ίδρυμα Ευγενίδου, 2007, 148 σελ.).

Η παρουσίαση αυτή αποτελεί πόνημα των κ.κ. Διονύση Σιμόπουλου και Αλέξη Δεληβοριά, αστροφυσικού και επίτιμου διευθυντή του Ευγενιδείου Πλανηταρίου, δημοσιευμένο στον προσωπικό λογαριασμό του κ. Σιμόπουλου στο facebook.

ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΒΗΜΑΤΑ:

ΑΠΟ ΤΗ ΓΗ ΣΤΗ ΣΕΛΗΝΗ 1

Η “Ιστορία Δυο Πόλεων” είναι αναμφισβήτητα ένα από τα καλύτερα έργα της παγκόσμιας λογοτεχνίας. Ο συγγραφέας του Κάρολος Ντίκενς αρχίζει το κλασικό του αυτό έργο με δύο απλές φράσεις: «Ήταν η καλύτερη των εποχών. Ήταν η χειρότερη των εποχών». Και είναι δύο φράσεις που αρμόζουν απόλυτα στη δεκαετία του ’60. Στη δεκαετία που είδε την κλιμάκωση ενός πολύνεκρου πολέμου στις ζούγκλες του Βιετνάμ, και την πραγματοποίηση των ονείρων της ανθρωπότητας να περπατήσει στην επιφάνεια ενός άλλου κόσμου.

Γιατί πράγματι, πριν από 48 χρόνια, στις 20 Ιουλίου 1969, οι αστροναύτες του «Απόλλωνα 11» έγιναν οι πρώτοι άνθρωποι που περπάτησαν στην επιφάνεια του γειτονικού μας δορυφόρου, τη Σελήνη. Τα επόμενα τρία χρόνια, από το 1969 ως το 1972, ολόκληρη η ανθρωπότητα παρακολούθησε από τις οθόνες των τηλεοράσεων την μεγαλύτερη εξερεύνηση στην ανθρώπινη ιστορία. Με την βοήθεια εκατοντάδων χιλιάδων επιστημόνων, μηχανικών, και τεχνικών, 27 συνολικά αστροναύτες περιφέρθηκαν γύρω από τον φυσικό δορυφόρο της Γης, ενώ 12 απ’ αυτούς περπάτησαν και εξερεύνησαν 6 διαφορετικές περιοχές της επιφάνειας της Σελήνης.

Η αρχική έξαψη της μεγάλης αυτής περιπέτειας του ανθρώπου έχει πια περάσει. Οι συσκευές των τηλεοράσεων έπαψαν να δείχνουν τους αστροναύτες να κινούνται πάνω στο ηλιόλουστο Σεληνιακό πανόραμα. Και όμως εδώ, πάνω στη Γή, οι επιστήμονες συνεχίζουν να μελετούν ακόμη και σήμερα τον απέραντο θησαυρό γνώσεων που μας έφεραν οι αστροναύτες του προγράμματος Απόλλων. Ήταν όμως μία μελέτη που άρχισε πολύ νωρίτερα, αφού ένας από τους κύριους αντικειμενικούς σκοπούς του ανθρώπου ήταν ανέκαθεν η συνεχής επιθυμία μας να ξεφύγουμε από τα δεσμά της Γης και να επισκεφτούμε κάποτε τον γειτονικό μας δορυφόρο.

Στον δρόμο μας για τη Σελήνη πολλοί ήσαν αυτοί που βοήθησαν να γίνει το όραμα πραγματικότητα, με πρώτον απ’ όλους έναν δάσκαλο από τη Ρωσία. Γεννημένος έναν αιώνα πριν από την εκτόξευση του πρώτου Σοβιετικού δορυφόρου, ο Κωνσταντίν Τσιολκόβσκυ αφιέρωσε τη ζωή του στον υπολογισμό της πτήσεως πυραύλων και στον τρόπο επιτεύξεως διαπλανητικών εξερευνήσεων. Μια παιδική αρρώστια τον καταδίκασε να περάσει τη ζωή του σ’ έναν κόσμο σιωπής. Η έλλειψη όμως της ακοής δεν τον εμπόδισε να οραματιστεί διαστημόπλοια, διαστημικά ταξίδια, διαστημικούς σταθμούς και την ανάγκη διαστημικών σκαφάνδρων για τους κοσμοναύτες και πολλαπλών ορόφων για τους διαστημικούς πυραύλους.

Την ίδια περίπου περίοδο στην Αμερική ο αμερικανός φυσικός Ρόμπερτ Γκόνταρ έκανε την θεωρία πράξη. Πειραματίστηκε με δεκάδες πυραύλους, ενώ μερικοί τον θεωρούσαν τρελό. Ο Γκόνταρ όμως γνώριζε ότι μόνο ένας πύραυλος που θα κινούνταν με υγρά καύσιμα και οξυγόνο θα μπορούσε να λειτουργήσει στο κενό του διαστήματος. Τα παράπονα των γειτόνων του στη Μασαχουσέτη τον ανάγκασαν να μεταφερθεί στο Νέο Μεξικό όπου συνέχισε την εργασία του φτιάχνοντας όλο και πιο μεγάλους και καλύτερους πυραύλους με έδρες εκτόξευσης και έλεγχο της πτήσης τους.

Στη Γερμανία ο Χέρμαν Όμπερθ αναδείχτηκε σε ηγετική φυσιογνωμία στην ανάπτυξη της πυραυλικής. Το πρώτο βιβλίο του Όμπερθ στο θέμα, που εκδόθηκε το 1923, δημιούργησε πολύ μεγάλο ενδιαφέρον και προσέλκυσε μερικούς νέους μηχανικούς να αρχίσουν, σε ιδιωτική βάση, διάφορους πειραματισμούς. Οι πρωτοπόροι αυτοί της πυραυλικής ήταν πραγματικοί οραματιστές για την ειρηνική χρήση των πυραυλικών τους συστημάτων. Δεν συνέβαινε όμως το ίδιο και στη Γερμανία του Χίτλερ. Στη διάρκεια του Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου οι Γερμανοί ανάπτυξαν τους πυραύλους V-2 τους οποίους όμως χρησιμοποίησαν σαν όπλα καταστροφής των συμμαχικών πόλεων.

Ο θρίαμβος πάντως της έναρξης της διαστημικής εποχής ανήκει στους Σοβιετικούς. Από την μυστική τους βάση στο Καζακστάν ένας πύραυλος «Βοστόκ» ξεκίνησε στις 4 Οκτωβρίου 1957 για το πρώτο του ταξίδι στο διάστημα όπου έθεσε σε τροχιά γύρω από τη Γη τον «Σπούτνικ 1». Ο πλανήτης μας είχε πια τον πρώτο του τεχνητό δορυφόρο. Ένα μήνα αργότερα τοποθετήθηκε ένας ακόμη δορυφόρος, έξη φορές βαρύτερος, με επιβάτη του μία σκυλίτσα, την Λάικα.

Οι αμερικανοί ακολούθησαν με αποτυχία που τους ανάγκασε να ψάξουν για έναν νέο σχεδιαστή τον οποίο βρήκαν στο πρόσωπο του Βέρνερ φον Μπράουν και ο οποίος στα επόμενα 25 χρόνια έγινε ο κύριος μοχλός του αμερικανικού διαστημικού προγράμματος. Έτσι τέσσερις μήνες μετά το «Σπούτνικ 1» εκτοξεύτηκε ο πολύ μικρότερος και ελαφρύτερος πρώτος αμερικανικός δορυφόρος, ο «Εξερευνητής 1». Ένας αγώνας δρόμου άρχισε τότε ανάμεσα στην Σοβιετική Ένωση και τις Ηνωμένες Πολιτείες.

Στο μεταξύ, και με μεγάλη μυστικότητα, οι Σοβιετικοί προετοίμαζαν ένα άλλο όχημα που θα μετέφερε τον πρώτο άνθρωπο στο διάστημα. Θα εκτοξεύονταν με έναν ισχυρότατο νέο πύραυλο «Βοστόκ» και θα επανδρώνονταν από έναν επίλεκτο μιας μικρής ομάδας πιλότων. Τελικά ο κλήρος έπεσε στον Γιούρι Γκαγκάριν ένα πιλότο δοκιμαστικών πτήσεων της Σοβιετικής Αεροπορίας. Το 1961 βρισκόμασταν στη μέση του ψυχρού πολέμου. Και καθώς ο γιγάντιος πύραυλος «Βοστόκ» κατασκευάζονταν οι Σοβιετικοί ήλπιζαν να πετύχουν μιαν ακόμη προπαγανδιστική νίκη αφού ο αγώνας δρόμου γιά το διάστημα είχε μετατραπεί σ’ έναν αγώνα της ανατολής ενάντια στη δύση.

Στις 12 Απριλίου 1961 ο Γκαγκάριν δεν θα μπορούσε να ήταν πιο ήρεμος. Στη βάση εκτόξευσης όμως τα πράγματα ήσαν ένα τεράστιο τρελοκομείο. Οι αμερικάνοι είχαν ήδη ανακοινώσει ότι η δική τους προσπάθεια θα γίνονταν τον Μάιο και οι Σοβιετικοί ήθελαν να είναι πρώτοι. Έτσι την ημέρα εκείνη ο Γιούρι Γκαγκάριν ξεκίνησε για το ραντεβού του με την ιστορία. Αν αποτύγχανε ο κόσμος ίσως να μην το μάθαινε ποτέ.

Από την αρχή της δημιουργίας του ψυχή του Σοβιετικού διαστημικού προγράμματος ήταν ένας πραγματικά ιδιοφυής μηχανικός ονόματι Σεργκέι Κορολυόφ. Το Βοστόκ ήταν δικής του επινόησης και αποτελούνταν από τέσσερις πυραύλους και 33 μηχανές προώθησης. Ο στόχος της κάψουλας του Γκαγκάριν (η οποία βρίσκονταν στην κορυφή του πυραύλου και έμοιαζε με μια σφαίρα που θα τοποθετούνταν στο διάστημα καθώς ο πύραυλος αποχωρίζονταν απ’ αυτήν) ήταν μία μόνο τροχιά. Ο Γκαγκάριν έφτασε τελικά στο διάστημα και ο κόσμος έμεινε άναυδος.

Μετά από 23 ημέρες ήρθε η απάντηση των Αμερικανών. Ο μικροσκοπικός πύραυλος Ρέντστοουν μετέφερε στο διάστημα τον Άλαν Σέπαρντ σε μια υποτροχιακή πτήση διάρκειας 15 λεπτών. Πικαρισμένος από την πρωτοπορία των Σοβιετικών ο Αμερικανός Πρόεδρος Κέννεντυ ανακοίνωσε ότι η Αμερική θα τοποθετούσε έναν άνθρωπο στη Σελήνη πριν από το τέλος της δεκαετίας του 1960. Οι Σοβιετικοί απάντησαν με την εκτόξευση της πρώτης γυναίκας στο διάστημα: της Βαλεντίνας Τερέσκοβα. Αλλά και οι αμερικανοί είχαν πλέον πάρει το βάπτισμα του διαστήματος. Στις 16 Μαΐου 1963 έγινε η τελευταία προσθαλάσσωση του προγράμματος Μέρκιουρυ ενώ δύο χρόνια αργότερα θα ακολουθούσε το πρόγραμμα Τζέμινι με δύο αστροναύτες σε κάθε πτήση.

Και πάλι όμως οι Σοβιετικοί προηγήθηκαν αφού στρίμωξαν τρεις κοσμοναύτες σε ένα διαστημόπλοιο που ήταν κατασκευασμένο για δύο. Η έλλειψη χώρου ήταν τόσο μεγάλη ώστε αναγκάστηκαν να πετάξουν χωρίς διαστημικά σκάφανδρα ή εκτοξευτήρια καθίσματα στην πρώτη πτήση του προγράμματος «Βοσκχόντ». Μερικούς μήνες αργότερα, λίγο πριν από την πτήση του πρώτου Τζέμινι, ο Αλεξέι Λεόνοφ στις 18 Μαρτίου 1965, έγινε ο πρώτος άνθρωπος που “περπάτησε” στο διάστημα. Οι Σοβιετικοί είχαν για μιαν ακόμη φορά προηγηθεί.

Τα σήματα των αποστολών «Απόλλων»
Ο Ρώσος δάσκαλος Κωνσταντίν Τσιολκοβσκυ, πρωτοπόρος του Διαστήματος.
Οι 12 αστροναύτες που περπάτησαν στην επιφάνεια της Σελήνης 1969-1972.
Ο Αμερικανός καθηγητής Ρόμπερτ Γκόνταρ.
O Γερμανός μηχανικός Χέρμαν Όμπερθ.
Ο πρώτος τεχνητός δορυφόρος «Σπούτνικ1» (Σοβιετική Ένωση).
Η Λάικα στον «Σπούτνικ 2».
Ο Ρώσος Γιούρι Γκαγκάριν, ο πρώτος άνθρωπος στο Διάστημα.
Ο πρώτος Αμερικανικός δορυφόρος «Εξερευνητής 1».
Το διαστημόπλοιο του Γκαγκάριν «Βοστόκ 1».
Γκαγκάριν με τον Ρώσο μηχανικό Σεργκέι Κορολυόφ, η ψυχή και το μυαλό του Σοβιετικού Διαστημικού προγράμματος.
O πρώτος Αμερικανός στο Διάστημα Άλαν Σέπαρντ και το διαστημόπλοιό του.
Ο πύραυλος Ρέντστοουν του πρώτου επανδρωμένου Αμερικανικού προγράμματος «Μέρκιουρυ».
Η πρώτη γυναίκα στο Διάστημα, Βαλεντίνα Τερέσκοβα, Σοβιετική Ένωση.
Ο πρώτος περίπατος στο Διάστημα από τον Ρώσο κοσμοναύτη Αλεξέι Λεόνοφ.

Οδύσσεια του διαστήματος: Το Διαπλανητικό Δίκτυο Μεταφοράς.

Τα διαπλανητικά ταξίδια και το αόρατο υφαντό του Μεσοπλανητικού Χώρου.

Ξεκινώντας μια καινούρια αναζήτηση στον Μεσοπλανητικό Χώρο, ας θυμηθούμε την τελευταία παράγραφο της προηγούμενης ανάρτησης

«Το επόμενο στάδιο των προσπαθειών επίτευξης της μέγιστης «ενεργειακής οικονομίας» των διαστημικών αποστολών, έχει σημείο εκκίνησης τις προσπάθειες επίλυσης από τον εξέχοντα Γάλλο μαθηματικό Jules-Henri Poincaré (1854 – 1912) του προβλήματος των τριών σωμάτων, σταθμούς τα ασταθή Λαγκρανζιανά σημεία, χαοτικά χαρακτηριστικά και αποτέλεσμα την αποκάλυψη ενός δαιδαλώδους ουράνιου δικτύου, της Διαπλανητικής Λεωφόρου».

Ας προσπαθήσουμε, λοιπόν, να εξιχνιάσουμε το μυστήριο του αόρατου υφαντού λαβυρίνθου του Ηλιακού συστήματος, που πλέκει ο αργαλειός της βαρύτητας.

Διαπλανητικό Δίκτυο Μεταφοράς

Το Διαπλανητικό Δίκτυο Μεταφοράς(Interplanetary Transport Network) ή αλλιώς η Διαπλανητική Λεωφόρος (Interplanetary Superhighway), που επινοήθηκε από τον Martin Lo και τον Shane Ross, είναι αυτό ακριβώς που περιγράφει το όνομά του: Ένας διαστημικός δρόμος στον Μεσοπλανητικό Χώρο του Ηλιακού μας Συστήματος, που μοιάζει με ένα χαοτικό δίκτυο εικονικών σηράγγων και αγωγών, περιελισσόμενο γύρω από τον Ήλιο, τους Πλανήτες και τους δορυφόρους, το οποίο ελαχιστοποιεί την ενέργεια που απαιτείται από ένα αντικείμενο για να τα διασχίσει. Αυτό σημαίνει ότι μειώνονται δραματικά τα καύσιμα που χρειάζεται ένας διαστημικός ταξιδιώτης για την εξερεύνηση του Ηλιακού Συστήματος, με την προϋπόθεση βέβαια, να είναι υπομονετικός, αφού -όπως θα δούμε στην συνέχεια- το κέρδος σε ενέργεια συνεπάγεται μια ουδόλως ευκαταφρόνητη χρονική ζημιά!

Το ΙΤΝ βασίζεται τόσο στην βαρυτική ώθηση όσο και στις χαμηλής ενέργειας διαδρομές γύρω και ανάμεσα στα σημεία Lagrange που χαρακτηρίζουν την βαρυτική αλληλεπίδραση δύο αλληλεπιδρώντων ουρανίων σωμάτων.

Σύμφωνα με τον συντάκτη του Engineering and Science Magazine, Douglas L. Smith, «Τα γρηγορότερα μονοπάτια του διαστήματος είναι όλα δρόμοι με διόδια (η χρήση τους κοστίζει μεγάλη ποσότητα καυσίμου), την στιγμή που μπορείς να οδηγήσεις στην Διαπλανητική Λεωφόρο, σχεδόν δωρεάν. Η βαρύτητα κάνει όλη τη δουλειά, ώστε το σύστημα να μοιάζει περισσότερο με ένα καλοστημένο σύνολο από αυτοκινητάκια Hot Weels. Αυτό που έχεις να κάνεις, είναι απλά να αφήσεις να φύγει το αυτοκίνητο προς το κατάλληλο σημείο».

Στην πραγματικότητα βέβαια, τα πράγματα είναι περισσότερο περιπλεγμένα, αλλά -ακόμη κι έτσι- η περιγραφή του Smith είναι μια γλαφυρή απεικόνιση του ΙΤΝ.

Παρόλο που οι περισσότερες διαστημικές αποστολές που προηγήθηκαν της επινόησής του Martin Lo, επωφελήθηκαν από την βαρυτική ώθηση, η εργασία του αποδείχθηκε καινοτόμος, αφού έκανε χρήση ενός άλλου παράγοντα: της έλξης του ήλιου στους πλανήτες και της έλξης των πλανητών στους δορυφόρους τους, λαμβάνοντας έτσι υπόψιν όλα τα βαρυτικά πεδία που δρουν στο ηλιακό σύστημα, με κυρίαρχο αυτό του ήλιου.

Σε πολλά σημεία του Μεσοπλανητικού Χώρου, οι δυνάμεις μεταξύ των ουρανίων σωμάτων, από διαφορετικές κατευθύνσεις, σχεδόν αλληλοεξουδετερώνονται, αφήνοντας «μονοπάτια» μέσα από τα βαρυτικά πεδία, στα οποία ένα διαστημικό σκάφος μπορεί να ταξιδέψει σχεδόν δωρεάν. Ακούγεται παράδοξο, όμως μοιάζει οι διαστημικές αποστολές να ακολουθούν την παλιά, δοκιμασμένη τακτική των ναυτικών που χρησιμοποιούσαν την δύναμη τόσο των αέριων όσο και των θαλάσσιων ρευμάτων για να φτάσουν στον προορισμό τους.

Σε κάθε ζευγάρι ουράνιων σωμάτων του Ηλιακού Συστήματος (Ήλιος – Πλανήτης, Πλανήτης – Δορυφόρος κ.ο.κ.) αντιστοιχούν 5 σημεία ισορροπίας, τα λεγόμενα σημεία Lagrange, τα οποία κείνται στο τροχιακό του επίπεδο και όπου οι βαρυτικές δυνάμεις αλληλοεξουδετερώνονται. Από αυτά, τα L1, L2 και L3 είναι σημεία ασταθούς ισορροπίας (δηλαδή ένα αντικείμενο που βρίσκεται σε αυτά μπορεί να μετακινηθεί σημαντικά με την παραμικρή ώθηση) ενώ τα σημεία L4 και L5 είναι σημεία ευσταθούς ισορροπίας (τα αντικείμενα παραμένουν αγκυροβολημένα εκεί), που μπορεί να είναι χρήσιμα για την τοποθέτηση εκεί διαστημικών τηλεσκοπίων.

Τα 5 Λαγκρανζιανά σημεία του συστήματος Ήλιος – Γη. To πρώτο σημείο (L1) βρίσκεται στην ευθεία που ενώνει τα δύο ουράνια σώματα, ανάμεσα στην Γη και τον Ήλιο, δηλαδή στην φωτεινή της πλευρά.
Το δεύτερο σημείο (L2) βρίσκεται στην ίδια ευθεία και στην σκοτεινή πλευρά της Γης. Το τρίτο σημείο (L3) είναι συμμετρικό της Γης, με κέντρο συμμετρίας τον Ήλιο, ακολουθώντας την τροχιά της. Το τέταρτο (L4) και το πέμπτο (L5) σημείο κείνται πολύ κοντά στην Γήινη τροχιά, σε γωνία 60o ως προς τον άξονα Γης-Ήλιου, πάνω και κάτω από την Γη, αποτελούν δηλαδή κορυφές των ισόπλευρων τριγώνων που έχουν βάση το ευθύγραμμο τμήμα ήλιος-γη.

Στα δύο πρώτα σημεία, μπορούν να τεθούν σε τροχιά διαστημικά σκάφη, με πολύ μικρή κατανάλωση καυσίμων κι επιπλέον αποτελούν ορόσημαγια την Διαπλανητική Λεωφόρο, που απλώνεται σαν ένας γιγάντιος λαβύρινθος γύρω από τον ήλιο.

Για να μπορέσει να χαράξει ο Lo την διαπλανητική λεωφόρο (Ιnterplanetary Superhighway), χαρτογράφησε κάποιες πιθανές πορείες σκαφών μεταξύ των σημείων Lagrange, μεταβάλλοντας την απόσταση στην οποία θα έφτανε ένα διαστημικό σκάφος και την ταχύτητά του. Διαπίστωσε έτσι, ότι οι πιθανές διαδρομές σχηματίζουν διαστημικά κανάλια στον Μεσοπλανητικό Χώρο, περίπου όπως τα νήματα πλέκονται μεταξύ τους σχηματίζοντας ένα σχοινί.

Ας αφήσουμε όμως για λίγο πίσω μας την Νευτώνεια Λογική που χρησιμοποιήσαμε για την περιγραφή της βαρυτικής σφενδόνης κι ας φανταστούμε τον Μεσοπλανητικό Χωρόχρονο ως ένα τεράστιο ελαστικό φύλλο από καουτσούκ… ή σαν ένα σεντόνι. Σε μία τέτοια, δισδιάστατη αναπαράσταση, ένας πλανήτης μοιάζει με μια τεράστια μπάλα του μπόουλινγκ που στρεβλώνει τον Χωρόχρονο, δημιουργώντας ένα βαρυτικό πηγάδι, τόσο βαθύτερο όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του.

Στο ηλιακό μας σύστημα οι πλανήτες αντιστοιχούν σε κοιλότητες-πηγάδια με διαφορετικά βάθη, μικρά σχετικά με το κυρίαρχο Ηλιακό Βαρυτικό φρέαρ.

Αριστερά: Ουράνια σώματα σε κυκλική τροχιά γύρω από βαρυτικό πηγάδι (για παράδειγμα πλανήτες περιφερόμενοι γύρω από τον Ήλιο). Η συχνότητα της περιφοράς΄τους εξαρτάται από την ακτίνα της τροχιάς: όσο μικρότερη είναι η τροχιά, τόσο μεγαλύτερη είναι η γωνιακή συχνότητα που απαιτείται για την επίτευξη ισορροπίας.
Δεξιά: Η αναπαράσταση του βαρυτικού πεδίου που προκύπτει από την αλληλεπίδραση ενός ζεύγους μεγάλων ουρανίων σωμάτων, όπως ο Ήλιος και η Γη, μοιάζει με μία τεράστια χοάνη με μια μικρότερη χοάνη ενσωματωμένη σε αυτήν.
Στο ένθετο (πάνω δεξιά) φαίνεται η μικρή χοάνη καθώς περιφέρεται γύρω από την μεγάλη, όπως ακριβώς η Γη περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο. Ένα σώμα σε τροχιά γύρω από την μεγάλη χοάνη με την ίδια γωνιακή συχνότητα περιφοράς με την μικρή, μπορεί να ισορροπήσει σε δύο σημεία που αντιστοιχούν στα L1 και L2 Γήινα Λαγκραντζιανά Σημεία.
Δισδιάστατη απεικόνιση της παραμόρφωσης του Μεσοπλανητικού Χωροχρόνου παρουσία της Γης (αριστερά) και της Σελήνης (δεξιά). Μια διαστημοσυσκευή βρίσκεται στην περίπου επίπεδη περιοχή ανάμεσα στα δύο ουράνια σώματα, όπου εδράζεται το πρώτο σημείο Lagrange (L1), στο οποίο το Γήινο Βαρυτικό πεδίο εξισορροπεί το Σεληνιακό.

Για να καταφέρει ένα σώμα να απελευθερωθεί από ένα τέτοιο πηγάδι, πρέπει να δαπανήσει ενέργεια – τόσο περισσότερη, όσο βαθύτερη η χωροχρονική καμπύλωση

Τι θα συνέβαινε όμως αν μία διαστημοσυσκευή ισορροπούσε σε ένα σημείο καμπής, όπως αυτό που βρίσκεται στην περιοχή συνάντησης του γήινου με το ηλιακό φρέαρ και αντιστοιχεί στο πρώτο Λαγκρανζιανό σημείο για αυτά τα δύο ουράνια σώματα;

Προσομοίωση της κίνησης των πέντε Λαγκρανζιανών σημείων (κόκκινο) ενός πλανήτη (μπλε) που περιφέρεται γύρω από έναν αστέρα (κίτρινο), και το βαρυτικό δυναμικό στο επίπεδο της τροχιάς. 
(Από την wikipedia)

Κατ’ αρχάς είναι δυνατόν να θέσουμε την διαστημοσυσκευή μας σε τροχιά γύρω από το σημείο Lagrange (για περιορισμένο έστω χρονικό διάστημα), ώστε να περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο με ελάχιστο ενεργειακό κόστος. (Αυτό μπορούμε να το καταλάβουμε αν σκεφτούμε ότι το L1 περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο με την γωνιακή ταχύτητα περιφοράς της Γης όπως φαίνεται και στην παραπάνω προσομοίωση).

Αυτή ακριβώς η ιδιότητα των σημείων Lagrange, τα καθιστά ιδανικές περιοχές στάθμευσης για τα ανθρώπινα διαστημικά παρατηρητήρια. Το Πρώτο Γήινο Λαγκρανζιανό σημείο, με ανεμπόδιστη θέα προς τον ήλιο, είναι ιδανικό για την τοποθέτηση Ηλιακών Παρατηρητηρίων. Εξάλλου, το Δεύτερο Λαγκρανζιανό σημείο φαίνεται ήδη να συνωστίζεται από διαστημικά τηλεσκόπια. Δεν χρειάζεται και ιδιαίτερη φαντασία για να καταλάβει κανείς τον λόγο: το σημείο αυτό έχει ευρεία θέα στο διάστημα, μοιάζοντας σαν ένα ανοιχτό παράθυρο προς τον Κόσμο.

Επειδή βέβαια, όπως αναφέρθηκε, τα σημεία Lagrange είναι ασταθή, χρειάζεται διόρθωση της τροχιάς, σε μία χρονική κλίμακα 23 ημερών περίπου). 

Σε τροχιά γύρω από το Γήινο πρώτο Λαγκρανζιανό σημείο τέθηκε το διαστημοσκάφος Genesis (εικόνα), που εκτοξεύτηκε στις 8 Αυγούστου, 2001 για να συλλέξει μεμονωμένα άτομα του ηλιακού ανέμου. Ξεκίνησε την συλλογή στις 5 Δεκ. 2001 και ολοκλήρωσε την προσπάθεια στην 1 Απρ. 2004.
Η τροχιά του Genesis. Πραγματοποίησε 5 περιφορές γύρω από το L1 (2,5 περίπου έτη) κι επέστρεψε στην Γη τον Σεπτέμβριο του 2004. Η επιστροφή του δεν ήταν επιτυχημένη, καθώς το αλεξίπτωτο της κάψας που περιείχε το δείγμα δεν άνοιξε, με αποτέλεσμα να συντριβεί στην έρημο της Γιούτα. Χρειάστηκαν εκτενείς εργασίες αποκατάστασης, για ανακτηθεί μέρος του υλικού που είχε συλλέξει, οι οποίες περατώθηκαν με επιτυχία.
Τον Οκτώβριο του 2001, το διαστημοσκάφος WΜΑP
(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) της NASA, τέθηκε σε τροχιά
γύρω από το Λαγκρανζιανό σημείο (L2), ώστε να χαρτογραφήσει
τις μικροδιακυμάνσεις της μικροκυματικής Κοσμικής Ακτινοβολίας
Υπόβαθρου, σε μια προσπάθεια να δοκιμαστεί το κοσμολογικό μοντέλο
της Μεγάλης Έκρηξης που προβλέπει ότι η πυκνότητα της ύλης
στο πρώιμο σύμπαν δεν ήταν απολύτως ομοιόμορφη παντού.

Επιπροσθέτως, επειδή στα ασταθή Λαγκρανζιανά σημεία οι βαρυτικές δυνάμεις αλληλοεξουδετερώνονται, η παραμικρή κατάλληλη ώθηση θα μπορούσε να στείλει μία διαστημοσυσκευή, που σταθμεύει εκεί, προς την επιθυμητή κατεύθυνση, κάτι που -δυνητικά τουλάχιστον- είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για τα μελλοντικά διαστημικά μας ταξίδια.

Τα ασταθή Λαγκρανζιανά σημεία αποτελούν κομβικές θέσεις, μέσω των οποίων μπορεί να επιτευχθεί ανέξοδη ενεργειακά μεταφορά μεταξύ διαφόρων πλανητικών τροχιών και συνεπώς ένα ιδανικό μελλοντικό προγεφύρωμα για τις επανδρωμένες αποστολές σε μακρινούς πλανήτες.

Παρόλο λοιπόν που στην καθημερινή μας ζωή τα σημεία ασταθούς ισορροπίας δεν τυγχάνουν ιδιαίτερης προσοχής, και παρόλο που και ιστορικά το ενδιαφέρον για τα L1 και L2 ήταν ελάχιστο, εξαιτίας ακριβώς της αστάθειάς τους, αποδεικνύονται ιδιαίτερα χρήσιμα για την χάραξη των ουράνιων δρόμων.

Λίγη… Ιστορία και οι βασικές αρχές σχεδίασης!

Η έρευνα για τις διαπλανητικές τροχιές χαμηλής ενέργειας που οριοθετούνται από τα ασταθή Λαγκρανζιανά σημεία, βασίστηκε κατ’ αρχάς στη θεωρητική δουλειά που ξεκίνησε στο τέλος του 19ου αι. o μεγάλος Γάλλος μαθηματικός Jules-Henri Poincaré (1854 – 1912), αντιμέτωπος με το πρόβλημα των τριών σωμάτων, ενός κλασικού προβλήματος της αστροδυναμικής, που αφορά στον καθορισμό των τροχιών τριών μαζών μεταξύ των οποίων η μόνη αλληλεπίδραση είναι η βαρυτική έλξη

Η προσπάθεια επίλυσης του προβλήματος αυτού, έθεσε τα θεμέλια της Μαθηματικής Θεωρίας των μη-Γραμμικών Δυναμικών Συστημάτων (Θεωρία του Χάους), και άνοιξε νέους δρόμους στην Ουράνια Μηχανική και τη Γαλαξιακή Δυναμική.

Σε μία πρώτη απλοποίηση για την προσεγγιστική λύση του προβλήματος, το τρίτο σώμα (ένα διαστημόπλοιο -φερ’ ειπείν- ή ένας κομήτης), η κίνηση του οποίου ουσιαστικά μας ενδιαφέρει, θεωρείται ότι έχει αμελητέα μάζα σε σχέση με αυτή των άλλων δύο. Έτσι, ενώ κινείται στο πεδίο τους δεν επηρεάζει την κίνησή τους. Έχουμε λοιπόν να κάνουμε με αυτό που στην βιβλιογραφία αναφέρεται ως το Περιορισμένο Πρόβλημα των Τριών Σωμάτων.

Για να απλοποιήσει ο Poincaré τους υπολογισμούς του και να βάλει τάξη στο «χάος» με το οποίο ήρθε αντιμέτωπος, οργάνωσε τις όμοιες τροχιές σε «πολλαπλότητες». (Μία τέτοια πολλαπλότητα, αποτελεί μία επιφάνεια του 6D φασικού χώρου, ο οποίος περιλαμβάνει 3 χωρικές διαστάσεις (x,y και z) και 3 διαστάσεις για την ταχύτητα (vx, vy και vz,)).

Ο Poincaré διαπίστωσε ότι οι οικογένειες τροχιών σχηματίζουν αναλλοίωτες πολλαπλότητες (ένα σώμα που ξεκινά να κινείται σε μία τέτοια επιφάνεια/πολλαπλότητα, παραμένει εκεί εσαεί, εκτός και του δώσουμε κατάλληλη ώθηση). 

Ο Poincaré πρόσεξε ότι αν μία ασταθής τροχιά είναι περιοδική, δημιουργεί μία πολλαπλότητα σε σχήμα καναλιού, που περιλαμβάνει όλα τα μονοπάτια που μπορεί κάποιος να ακολουθήσει, ώστε να διαφύγει από την τροχιά αυτή, χωρίς καμία μεταβολή στην ενέργειά του

Έτσι, αν θέλουμε να χαράξουμε την πορεία ενός διαστημοσκάφους που εγκαταλείπει την τροχιά του γύρω από το -ας πούμε- Δεύτερο Λαγκρανζιανό Γήινο σημείο, θα την παρακολουθήσουμε να ξεδιπλώνεται αργά σαν μια σπείρα τυλιγμένη κατά μήκος της επιφάνειας του καναλιού. Αυτό το είδος του καναλιού καλείται «ασταθής» πολλαπλότητα ενώ η αντίστροφη πολλαπλότητα (που οδηγεί προς την ασταθή τροχιά) καλείται -σχήμα οξύμωρο- «ευσταθής» πολλαπλότητα!

Επίπεδη απεικόνιση των αμετάβλητων πολλαπλοτήτων των τροχιών στα Λαγκρανζιανά σημεία του συστήματος Γη-Σελήνη. Τα βέλη υποδεικνύουν την κατεύθυνση της κίνησης. 
(a) Ασταθής αναλλοίωτη πολλαπλότητα 
(b) Ευσταθής αναλλοίωτη πολλαπλότητα.

Η πολυπλοκότητα του προβλήματος, αν και περιγραφικά φαίνεται απλό, είναι ιδιαίτερα μεγάλη, κι έτσι, για 100 χρόνια παρέμεινε «παγωμένο» περιμένοντας τους υπολογιστές να χαράξουν τα κανάλια που οδηγούν προς και από τα ασταθή Λαγκαρανζιανά σημεία. 

Το θέμα επανήλθε στο τέλος της δεκαετίας του ’60, όταν οι Charles C. Conley (μαθηματικός τότε στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin) και Robert P. McGehee (Μαθητής του Conley) πρόσεξαν ότι για το σύστημα Γη-Ήλιος και για κάθε ενεργειακό επίπεδο, υπάρχει μόνο μία περιοδική τροχιά γύρω από το L1 (και μία γύρω από το L2), που βρίσκεται εξ’ ολοκλήρου στο τροχιακό επίπεδο της Γης, καλούμενη τροχιά Lyapunov. Οι τροχιές αυτές ελέγχουν τις διαδρομές των σωμάτων γύρω από τα L1 και L2, με άλλα λόγια, ένας αργά-κινούμενος αστεροειδής μπορεί να πλησιάσει ή να εγκαταλείψει την Γη μόνο μέσω ενός καναλιού Lyapunov.

Kατά τον Martin Lo, η δυναμική των καναλιών αυτών είναι τόσο ισχυρή, ώστε αν αναζητήσεις ανάμεσα στις περιοδικές τροχιές γύρω από τα σημεία Lagrange μία μεταφορική τροχιά προς την Γη, η διαδρομή σου θα είναι εντελώς καθορισμένη από την ευσταθή πολλαπλότητα της περιοδικής τροχιάς.  Στην πραγματικότητα χρειάζεται απαγορευτικά μεγάλη ώθηση ώστε να την αποφύγεις!!

Ωστόσο η NASA, δύσπιστη αρχικά προς την νέα προοπτική, πείστηκε εν τέλει από τον Robert Farquhar να στείλει την πρώτη αποστολή σε Λαγκρανζιανό σημείο, το σκάφος Explorer 3

Η αποστολή από την NASA του International Sun-Earth Explorer 3 (ISEE3), το 1978, ήταν η πρώτη που χρησιμοποίησε τροχιές χαμηλής ενέργειας γύρω το πρώτο σημείο Lagrange, ώστε να μελετήσει τις ηλιακές εκλάμψεις και τις κοσμικές γ-αναλάμψεις. Αργότερα, το 1985, μετονομάστηκε σε International Comete Explorer (ICE) κι εστάλη για την πρώτη συνάντηση με κομήτη, τον Giacobini-Zinner. Οι ανοικτές τροχιές που φαίνονται στην εικόνα, σε σχήμα φιόγκου, είναι χαρακτηριστικές της διαδρομής μέσα από τα διαπλανητικά κανάλια. To ICE διέσχισε την ουρά του κομήτη στις 11 Σεπτεμβρίου, 1985, και συνέχισε για να συναντήσει τον κομήτη του Halley, το 1986.

Την δεκαετία του ’80 οι ερευνητές επανέφεραν στο προσκήνιο την θεωρία του Poincaré. Το ερώτημα που αναδύθηκε φυσικά αφορούσε στο πού κατέληγαν τα κανάλια που οριοθετούσαν οι πολλαπλότητές του. Θα μπορούσε κάποιος, χρησιμοποιώντας τα, να μεταβεί από τον έναν πλανήτη στον άλλο; Με άλλα λόγια, θα μπορούσε -για παράδειγμα- το εξερχόμενο ασταθές κανάλι από το Δεύτερο Γήινο Λαγκρανζιανό σημείο (L2) να τέμνει το ευσταθές εισερχόμενο κανάλι προς τον Πρώτο Λαγκρανζιανό σημείο του Άρη; Κάτι τέτοιο φυσικά θα μείωνε δραματικά τόσο την απαιτούμενη ισχύ του κινητήρα του διαστημοπλοίου μας, όσο και το μέγεθος της δεξαμενής καυσίμων για το ταξίδι μας προς τον Άρη! Βέβαια, καθώς η χάραξη των διαπλανητικών τούνελ είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη, οι υπολογισμοί θα έπρεπε με κάποιον τρόπο να απλοποιηθούν. Έτσι, αν σκεφτούμε κάθε κανάλι σαν ένα σετ ομόκεντρων περιοδικών τροχιών, όπως τα στρώματα ενός πράσου, η πολλαπλότητα του σημείου Lagrange είναι μία γραμμή στο μέσον του. Αν οι πολλαπλότητες δύο τέτοιων σημείων τέμνονται -ή έστω σε κάποια περιοχή η μεταξύ τους απόσταση είναι μικρή- τότε πολύ πιθανόν να τέμνονται και τα κανάλια. Κι αυτό βέβαια, είναι ιδιαίτερα χρήσιμο, ακόμη και στην περίπτωση που τα τεμνόμενα κανάλια βρίσκονται σε διαφορετικό ενεργειακό επίπεδο,  καθώς το ενεργειακό χάσμα μπορεί να γεφυρωθεί με την πυροδότηση ενός πυραύλου.

Tο σκεπτικό αυτό άμεσα απέδωσε καρπούς. Τον Ιούλιο του 1995, ο Martin Lo έγραψε στο ημερολόγιο του εργαστηρίου του «…οι αναλλοίωτες ευσταθείς και ασταθείς πολλαπλότητες των L1 και L2 σημείων για το σύστημα Γη-Ήλιος, φαίνεται κοντά στο να διασταυρώνονται μεταξύ τους».

Αριστερά: Καλλιτεχνική αναπαράσταση τμημάτων του Διαπλανητικού Δικτύου Μεταφοράς (ΙΤΝ) για το σύστημα Ήλιος-Γη-Σελήνη, που παράγεται από τις τροχιές γύρω από τα Λαγκρανζιανά σημεία. Τα πράσινα κανάλια προσεγγίζουν τις τροχιές ενώ τα κόκκινα κανάλια απομακρύνονται από αυτές. Έτσι, οι τροχιές αυτές είναι στην κυριολεξία οι κόμβοι του IΤΝ.
Δεξιά: Μεγέθυνση του Σεληνιακού τμήματος του ΙΤΝ. Tα βέλη υποδεικνύουν την κατεύθυνση της κίνησης.

Ας θυμηθούμε όμως ότι η Γη περιφέρεται γύρω από τον ήλιο. Καθώς συμβαίνει αυτό, τα κανάλια του ΙΤΝ συστρέφονται στον χώρο, όμοια με τους πίδακες του νερού που εκτοξεύεται από ένα περιστρεφόμενο ποτιστικό. Έτσι, η σχεδίαση ενός καναλιού, πρέπει να γίνει σε ένα περιστρεφόμενο σύστημα αναφοράς, στο οποίο τα δύο σώματα σχεδιάζονται ως σταθερά σημεία στον x-άξονα. Τα διαπλανητικά κανάλια παραμένουν παγωμένα στο διάστημα, σε αυτό το σύστημα, ενώ το διαστημόπλοιο κινείται.

Αριστερά: Μεταφορική τροχιά χαμηλής ενέργειας στο γεωκεντρικό αδρανειακό σύστημα αναφοράς.
Δεξιά: Η ίδια τροχιά στο περιστρεφόμενο σύστημα Ήλιου-Γης.

Σε ένα τέτοιο σύστημα αναφοράς τα σημεία τομής της ευσταθούς και της ασταθούς πολλαπλότητας που αντιστοιχούν στα σημεία L2 και L1 αντίστοιχα, φαίνονται στο παρακάτω σχήμα.

Αριστερά: Ο ήλιος βρίσκεται μακριά, στο αριστερό μέρος της εικόνας. To σύστημα αναφοράς περιφέρεται γύρω από τον ήλιο με την ταχύτητα της Γης, έτσι ώστε αυτή να βρίσκεται διαρκώς στο κέντρο του διαγράμματος. Ένα διαστημόπλοιο με δεδομένη ταχύτητα, μπορεί να διαγράψει τροχιά γύρω από τα L1 ή L2 (μαύρα βέλη). Ένα τμήμα των διαδρομών που καταλήγουν στο L1 αποτυπώνεται με πράσινο χρώμα και το αντίστοιχο τμήμα των διαδρομών που απομακρύνονται από το L2 με κόκκινο χρώμα. Η γκρίζα περιοχή είναι απαγορευμένη για το διαστημόπλοιο στην συγκεκριμένη ενέργεια.
Δεξιά: κάθετη τομή στον y-άξονα των πολλαπλοτήτων που αντιστοιχούν στα σημεία L1 και L2 του αριστερού διαγράμματος. Μπορεί να περάσει κάποιος από την μια πολλαπλότητα στην άλλη, χωρίς ενεργειακό κόστος, στα σημεία τομής τους (κίτρινο χρώμα).

Όσο αναζητούμε περιοχές τομής των πολλαπλοτήτων που αντιστοιχούν στα Γήινα Λαγκρανζιανά Σημεία, τα πράγματα είναι σχετικά απλά. Ο βαθμός πολυπλοκότητας όμως αυξάνεται απίστευτα, όταν στο πρόβλημά μας εισέρχονται περισσότερα ουράνια σώματα. Αν για παράδειγμα προσπαθούμε να χαράξουμε την διαδρομή μετάβασης από το L2 γήινο σημείο στο L1 σημείο του Άρη, τότε έχουμε μπροστά μας ένα πρόβλημα τεσσάρων σωμάτων! Έτσι, είμαστε αναγκασμένοι να προχωρήσουμε σε δύο απλουστεύσεις:

Όλες οι πλανητικές τροχιές είναι συνεπίπεδες (κάτι που εν γένει ισχύει για το ηλιακό σύστημα, με εξαίρεση τον Πλούτωνα).

Όλες οι πλανητικές τροχιές είναι κυκλικές (πολύ καλή προσέγγιση της πραγματικότητας, με εξαίρεση και πάλι τον Πλούτωνα).

Το πρόβλημά μας τώρα ισοδυναμεί με δύο προβλήματα τριών σωμάτων (Ήλιος-Γη-Διαστημόπλοιο & Ήλιος-Άρης-Διαστημόπλοιο), τα οποία συνδέονται μέσω των κοινών μελών τους (Ήλιος – Διαστημόπλοιο).

Διπλό περιορισμένο Πρόβλημα των Τριών Σωμάτων

Παραδόξως, ο εντοπισμός των σημείων τομής των πολλαπλοτήτων της Γης και του Άρη, αποδείχτηκε δύσκολος εν αντιθέσει με το ζεύγος Δίας – Κρόνος, που έδωσε αμέσως αποτελέσματα. Θα μπορούσε κάποιος να μεταβεί από τον έναν πλανήτη στον άλλον, σε ένα «σύντομο» σχετικά χρονικό διάστημα μερικών δεκαετιών. Περαιτέρω έρευνες ενίσχυσαν την πεποίθηση ότι ήταν δυνατή η δωρεάν μετάβαση μεταξύ των εξωτερικών πλανητών του Ηλιακού Συστήματος. Δυστυχώς, η μετάβαση αυτή αποδείχτηκε ιδιαίτερα χρονοβόρα.Η διαδρομή από τον Γη προς τον Άρη συνέβη να είναι το χειρότερο τμήμα της διαπλανητικής λεωφόρου, με χρονική διάρκεια δεκάδων χιλιάδων ετών!

Αριστερά: Ένα κανάλι του Διαπλανητικού Δικτύου Μεταφοράς (ΙΤΝ), το οποίο πλησιάζει το Δεύτερο Γήινο Λαγκρανζιανό Σημείο (L2) («Ευσταθής» πολλαπλότητα), αποτελούμενο από ένα σύνολο όμοιων τροχιών (πράσινο πλέγμα). Ένας κοσμικός ταξιδιώτης με κατάλληλη αρχική ταχύτητα, μπορεί να ακολουθήσει μια τροχιά που θα τον οδηγήσει σε περιφορά γύρω από το L2 (ανοιχτή πράσινη γραμμή).     Ένας ταξιδιώτης που ακολουθεί τροχιά στο εσωτερικού του καναλιού θα περάσει το L2 και, εισερχόμενο σε ένα άλλο κανάλι του δικτύου, θα κατευθυνθεί προς τους εξωτερικούς πλανήτες του ηλιακού συστήματος (γαλάζια γραμμή), ενώ κάποιος που ακολουθεί τροχιά στο εξωτερικό του καναλιού θα γυρίσει προς τα πίσω, δηλαδή προς την Κατεύθυνση του Ήλιου, ακολουθώντας -για παράδειγμα-
 ένα κανάλι που οδηγεί στην Αφροδίτη (κόκκινη γραμμή).
Δεξιά: Οι σχεδιαστές διαστημικών αποστολών εκτιμούν ότι σε πολλές φορές οι καλύτερες διαδρομές για ένα διαστημόπλοιο δεν είναι πάντα οι πιο άμεσες. Σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να είναι εξυπνότερο να εκμεταλλευτεί κανείς τα ενεργειακά χαμηλά μονοπάτια που συνδέουν τα σημεία κλειδιά του διαστήματος. για παράδειγμα, ένα διαστημόπλοιο με προορισμό την επιφάνεια της Σελήνης, μπορεί να φτάσει εκεί μέσω ενός από τα L1 ή L2 Σεληνιακά Λαγκρανζιανά σημεία. Τέτοια Κομβικά Λαγκρανζιανά σημεία, μπορούν εξάλλου να χρησιμοποιηθούν ως σταθμοί, για ταξίδια σε άλλους πλανήτες, όπως φαίνεται σε αυτόν τον διαστημικό «χάρτη μετρό».

Μία ευρεία χρήση των δρόμων της Διαπλανητικής Λεωφόρου αποκαλύπτει η παρατήρηση τροχιών αστεροειδών και κομητών. Εν τέλει φαίνεται πως από όλες τις δυνατές διαδρομές που ενώνουν δύο σημεία στον Μεσοπλανητικό χώρο, οι περιφερόμενοι ταξιδιώτες του Ηλιακού μας Συστήματος, επιλέγουν εκείνες που αποτελούν τμήματα του Διαπλανητικού Δικτύου Μεταφοράς. Όσο αλλόκοτο κι αν ακούγεται, η φύση μοιάζει να μην προτιμά τις συντομότερες διαδρομές αλλά τις οικονομικότερες.Eντυπωσιακή επαλήθευση των παραπάνω, αποτελεί η παράξενη πορεία του κομήτη Oterna, που απεικονίζεται στην παρακάτω εικόνα. Στις αρχές του 20ου αι., αυτό το παγωμένο ουράνιο σώμα εισέβαλε στην «γειτονιά» του ήλιου, έξω από την τροχιά του Δία. Αργότερα, το 1937, μετά από ένα κοντινό πέρασμα από αυτόν τον πλανήτη, ο Oterna άρχισε να περιφέρεται στο εσωτερικό της τροχιάς του Δία. Τα δύο σώματα συναντήθηκαν ξανά το 1963, οπότε ο κομήτης επέστρεψε σε εξωτερική τροχιά, όπου παραμένει μέχρι σήμερα. Σε κάθε συνάντησή του με τον Δία, ο κομήτης περιφερόταν χαλαρά γύρω από τον πλανήτη, ώστε για ένα χρονικό διάστημα να είναι δορυφόρος του!

(a) Προβλεπόμενες ευσταθείς (διακεκομμένες καμπύλες) και ασταθείς (συνεχείς καμπύλες) πολλαπλότητες των L1 και L2 στο περιστρεφόμενο σύστημα Ήλιου-Δία. Οι L1 πολλαπλότητες είναι πράσινες, ενώ οι L2 πολλαπλότητες είναι μαύρες.
(b) Η τροχιά του κομήτη Oterma (AD 1915{1980}) στο περιστρεφόμενο σύστημα Ήλιου-Δία (κόκκινη γραμμή) συμπίπτει εντυπωσιακά τις αναλλοίωτες πολλαπλότητες L1 και L2. Οι αποστάσεις δίνονται σε Αστρονομικές Μονάδες (AU).

Οι Wang Sang Koon, Martin W. Lo, Jerrold E. Marsden και Shane D. Rossαπέδειξαν ότι θα μπορούσε κάποιος να ακολουθήσει οποιοδήποτε δρομολόγιο υπάρχει για κάθε σετ Λαγκρανζιανών σημείων, δια μέσου οποιασδήποτε τροχιάς τα συνδέει. Κι αυτό διότι το Διαπλανητικό Δίκτυο, είναι ένα δυναμικό σύνολο καναλιών και κόμβων που διαμορφώνεται με βάση τις γεωμετρικές σχέσεις των πλανητών και τον δορυφόρων τους.

Θεωρητικά, λοιπόν, θα μπορούσαμε να σχεδιάσουμε την πορεία ενός κομήτη που ορμάει από το διάστημα, περιφέρεται γύρω από έναν πλανήτη τρεις φορές, εισέρχεται στο εσωτερικό της τροχιάς του, διαγράφει δεκαπέντε κύκλους γύρω από τον ήλιο, εξέρχεται στην εξωτερική διαδρομή πάλι, διαγράφει άλλους τρεις κύκλους γύρω από τον ήλιο και στην συνέχεια παγιδεύεται μόνιμα από αυτόν, ξεκινώντας την νέα του ζωή ως δορυφόρος. Όμοια, ένας αστεροειδής που πλησιάζει τον πλανήτη μας, θα μπορούσε να ακολουθήσει ένα χαοτικό μονοπάτι, πιθανόν περιφερόμενος γύρω από την Γη, έπειτα γύρω από τον Ήλιο κι έπειτα προς τα πίσω, ξανά και ξανά για πολλά χρόνια. 

Καλλιτεχνική αναπαράσταση περάσματος κομήτη 
από την γειτονιά του «Γαλάζιου Πλανήτη».

Ας σημειωθεί σε αυτό το σημείο, ότι «χαοτικός» δεν σημαίνει τυχαίος. Οι χαοτικές διαδρομές που εμπεριέχονται σε αυτό το πρόβλημα, είναι προβλέψιμες, τουλάχιστον για ένα σύντομο χρονικό διάστημα στο μέλλον. H ομοιότητα της συμπεριφοράς των καναλιών του ΙΤΝ με αυτήν των ρευστών είναι εντυπωσιακή. Αξίζει να αναφερθεί ότι τα υπολογιστικά εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των χαμηλής ενέργειας ουράνιων διαπλανητικών τροχιών, σχεδιάστηκαν από τον Francois Lekien του Πανεπιστημίου Princeton και τους συνεργάτες του, για τον υπολογισμό των δυναμικών ωκεάνιων καναλιών!Άρα λοιπόν, οι διασταυρούμενες διαδρομές του διαπλανητικού λαβύρινθου ή αλλιώς το σύνολο των κυκλοφορικών λωρίδων που εκκινούν στην γειτονιά των πλανητών και των δορυφόρων τους, καθορίζουν την κυκλοφορία μέσα στο ηλιακό σύστημα

Και προς τι όλα αυτά;

Ακριβώς εδώ, έχοντας σχεδόν ολοκληρώσει την περιγραφή των βασικών αρχών του ΙΤΝ, ίσως κάποιος αναρωτηθεί αν όλο αυτό είναι πολύ καλό για να είναι αληθινό! Θα μπορούσαμε εμείς να επωφεληθούμε από ένα τέτοιο ουράνιο δίκτυο, φθηνό μεν, απίστευτα χρονοβόρο δε; Και αν ναι, με ποιον τρόπο;

Έχοντας κατά νου το γεγονός πως τα Voyagers χρειάστηκαν μόλις δύο χρόνια για να φτάσουν από τον Δία στον Κρόνο, χρησιμοποιώντας κωνικές τομές και ελιγμούς βαρυτικών ωθήσεων (βαρυτικές σφεντόνες), ένα «δωρεάν» διακαναλικό ταξίδι μεταξύ των δύο αυτών πλανητών, μέσω του ΙΤΝ, που χρειάζεται «μόνο» λίγες δεκαετίες για να πραγματοποιηθεί, δεν μοιάζει καν σαν μια εξαιρετική προοπτική! Διότι μπορεί, οι κομήτες και οι αστεροειδείς να έχουν όσο χρόνο χρειάζεται για να περιδιαβαίνουν τις φθηνές λεωφόρους από πλανήτη σε πλανήτη, μεταβαίνοντας από το ένα κανάλι στο άλλο, εμάς όμως μας περιορίζουν τα θνητά μας όρια. Παραμένει ωστόσο εξαιρετικά σημαντική η δυνατότητα της πλοήγησης ενός σκάφους μέσω των σημείων εκείνων του μεσοπλανητικού βαρυτικού πεδίου που παρέχουν φυσικές πύλες εξόδου προς το διάστημα, όπως σημαντική για έναν ναυαγό είναι η δυνατότητα να αφήσει ένα μπουκάλι με μήνυμα στο σωστό θαλάσσιο ρεύμα, την σωστή στιγμή. Δελεαστικά αξιοποιήσιμη προοπτική, χάρις στην οποία οι σχεδιαστές διαστημικών αποστολών μπορούν να χαράξουν ενεργειακά αποδοτικές διαδρομές, που διαφορετικά δεν θα μπορούσαν να είναι πραγματοποιήσιμες

Μία από τις «προσφορές» της σχεδίασης της διαστημικής αποστολής του Genesis στο L1, ήταν η σε βάθος μελέτη της δυναμικής της γειτονιάς της Γης, η οποία αποκάλυψε ότι τουλάχιστον μία φορά τον μήνα, οι τροχιές γύρω από τα σημεία L1 και L2 της Σελήνης (για το σύστημα Γη – Σελήνη), συνδέονται με τις τροχιές γύρω από τα σημεία L1 ή L2 της Γης (για το σύστημα Ήλιος – Γη), μέσω διαδρομών χαμηλής ή ακόμη και μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης!

Σε αυτόν τον ελιγμό που λαμβάνει χώρα στην γήινη γειτονιά, το μικρότερο σώμα, η Σελήνη στην περίπτωσή μας, χρησιμοποιείται για την έλξη ενός διαστημοπλοίου από το L1 σημείο στο L2. Καθώς το  L1 βρίσκεται στο Γήινο βαρυτικό φρέαρ και το L2 έξω από αυτό, η μέθοδος αυτή επιτρέπει την αποτελεσματική έξοδο του διαστημοπλοίου με λίγη ενέργεια.

Οι συνέπειες αυτής της ευτυχούς σύμπτωσης για την εξερεύνηση του ηλιακού συστήματος, είναι τεράστιες. Ενεργή είναι η ιδέα της εγκατάστασης ενός μόνιμου διαστημικού σταθμού στο L1 σεληνιακό σημείο, ώστε να χρησιμεύσει ως κόμβος μεταφοράς για μελλοντικές  αποστολές, ως κοντινή στάση για την Διαπλανητική Λεωφόρο, και ως μία εξαιρετική πύλη αναχωρήσεων και αφίξεων για συμβατικές πτήσεις στον Άρη, τους αστεροειδείς και το εξωτερικό ηλιακό σύστημα. 

Επόμενος στόχος -γιατί όχι;- η κατασκευή ενός αυτόνομου  διαστημοσκάφους που θα πλοηγείται για δεκαετίες στους δαιδαλώδης διαδρόμους του ηλιακού συστήματος, χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση, μικρού σε μέγεθος, με τον απαραίτητο εξοπλισμό για συλλογή δεδομένων και αποστολή πληροφοριών στην Γη. Την προοπτική αυτή ενισχύει το πρόσφατο συμπέρασμα ότι με κατάλληλους προωθητικούς χειρισμούς ένα διαστημοσκάφος θα μπορούσε να φτάσει σε άλλους πλανήτες, πολύ συντομότερα από ότι ως τώρα πιστεύαμε.Όμως αυτό, είναι θέμα έτερης ανάρτησης! 🙂


  1. Martin W. Lo, Shane D. Ross The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond
  2. NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 2002 News Releases Interplanetary Superhighway Makes Space Travel Simpler
  3. Martin W. Lo The InterPlanetary Superhighway and the Origins Program
  4. Wang Sang Koon, Martin W. Lo, Jerrold E. Marsden, Shane D. Ross Heteroclinic Connections between Periodic Orbits and Resonance Transitions in Celestial Mechanics
  5. Kathryn E. Davis, Rodney L. Anderson, Daniel J. Scheeres, George H. Born The use of invariant manifolds for transfers between unstable periodic orbits of different energies
  6. G. Gomez, W.S. Koon, M.W. Loz, J.E. Marsden, J. Masdemont, S.D. Ross Invariant Manifolds, the Spatial Three-Body Proplem and Space Mission Design
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

Οδύσσεια του Διαστήματος: Τα διαπλανητικά ταξίδια και η βαρυτική σφενδόνη

Η δημιουργία ενός δικτύου μεσοπλανητικών τροχιών χαμηλής ενέργειας με χρήση της Βαρυτικής Σφενδόνης.

«‘οἱ δὲ δύω σκόπελοι ὁ μὲν οὐρανὸν εὐρὺν ἱκάνει
ὀξείῃ κορυφῇ, νεφέλη δέ μιν ἀμφιβέβηκε
κυανέη: τὸ μὲν οὔ ποτ᾿ ἐρωεῖ, οὐδέ ποτ᾿ αἴθρη
κείνου ἔχει κορυφὴν οὔτ᾿ ἐν θέρει οὔτ᾿ ἐν ὀπώρῃ.
οὐδέ κεν ἀμβαίη βροτὸς ἀνὴρ οὐδ᾿ ἐπιβαίη,
οὐδ᾿ εἴ οἱ χεῖρές τε ἐείκοσι καὶ πόδες εἶεν:
πέτρη γὰρ λίς ἐστι, περιξεστῇ ἐικυῖα.
μέσσῳ δ᾿ ἐν σκοπέλῳ ἔστι σπέος ἠεροειδές,
πρὸς ζόφον εἰς Ἔρεβος τετραμμένον, ᾗ περ ἂν ὑμεῖς
νῆα παρὰ γλαφυρὴν ἰθύνετε, φαίδιμ᾿ Ὀδυσσεῦ.
οὐδέ κεν ἐκ νηὸς γλαφυρῆς αἰζήιος ἀνὴρ
τόξῳ ὀιστεύσας κοῖλον σπέος εἰσαφίκοιτο.
ἔνθα δ᾿ ἐνὶ Σκύλλη ναίει δεινὸν λελακυῖα.
τῆς ἦ τοι φωνὴ μὲν ὅση σκύλακος νεογιλῆς
γίγνεται, αὐτὴ δ᾿ αὖτε πέλωρ κακόν: οὐδέ κέ τίς μιν
γηθήσειεν ἰδών, οὐδ᾿ εἰ θεὸς ἀντιάσειεν.
τῆς ἦ τοι πόδες εἰσὶ δυώδεκα πάντες ἄωροι,
ἓξ δέ τέ οἱ δειραὶ περιμήκεες, ἐν δὲ ἑκάστῃ
σμερδαλέη κεφαλή, ἐν δὲ τρίστοιχοι ὀδόντες
πυκνοὶ καὶ θαμέες, πλεῖοι μέλανος θανάτοιο.
μέσση μέν τε κατὰ σπείους κοίλοιο δέδυκεν,
ἔξω δ᾿ ἐξίσχει κεφαλὰς δεινοῖο βερέθρου,
αὐτοῦ δ᾿ ἰχθυάᾳ, σκόπελον περιμαιμώωσα,
δελφῖνάς τε κύνας τε, καὶ εἴ ποθι μεῖζον ἕλῃσι
κῆτος, ἃ μυρία βόσκει ἀγάστονος Ἀμφιτρίτη.
τῇ δ᾿ οὔ πώ ποτε ναῦται ἀκήριοι εὐχετόωνται
παρφυγέειν σὺν νηί: φέρει δέ τε κρατὶ ἑκάστῳ
φῶτ᾿ ἐξαρπάξασα νεὸς κυανοπρῴροιο.
«‘τὸν δ᾿ ἕτερον σκόπελον χθαμαλώτερον ὄψει, Ὀδυσσεῦ.
πλησίον ἀλλήλων: καί κεν διοϊστεύσειας.
τῷ δ᾿ ἐν ἐρινεὸς ἔστι μέγας, φύλλοισι τεθηλώς:
τῷ δ᾿ ὑπὸ δῖα Χάρυβδις ἀναρροιβδεῖ μέλαν ὕδωρ.
τρὶς μὲν γάρ τ᾿ ἀνίησιν ἐπ᾿ ἤματι, τρὶς δ᾿ ἀναροιβδεῖ
δεινόν: μὴ σύ γε κεῖθι τύχοις, ὅτε ῥοιβδήσειεν:
οὐ γάρ κεν ῥύσαιτό σ᾿ ὑπὲκ κακοῦ οὐδ᾿ ἐνοσίχθων.
ἀλλὰ μάλα Σκύλλης σκοπέλῳ πεπλημένος ὦκα
νῆα παρὲξ ἐλάαν, ἐπεὶ ἦ πολὺ φέρτερόν ἐστιν
ἓξ ἑτάρους ἐν νηὶ ποθήμεναι ἢ ἅμα πάντας.’[1]

Ομήρου Οδύσσεια, Ραψωδία μ΄, στ. 73-110

Όπου ο Οδυσσέας εξηγεί, πώς κατάφερε να περάσει
μέσα από την Σκύλλα και την Χάρυβδη.

Oι πύλες προς το Σύμπαν είναι ανοικτές. Η Οδύσσεια του Διαστήματος εν εξελίξει και με δεδομένη αφετηρία ψάχνει προορισμούς και τρόπους μετάβασης. Οι σύγχρονοι «θαλασσοπόροι» -σχεδιαστές αποστολών-, αναζητούν φυσικά το κατάλληλο «ιστιοφόρο» για να εξερευνήσουν τον Ωκεανό του Σύμπαντος. Και παράλληλα προσπαθούν να χαράξουν τα -στο μέτρο του δυνατού- ιδανικά Κοσμικά Κανάλια για το ταξίδι τους, αρχής γενομένης από την «γειτονιά» της Γης, το Ηλιακό μας Σύστημα. 

Το ερώτημα που αναδύεται άμεσα στην βάση αυτής της προσπάθειας είναι φυσικά το εξής:

«Υπάρχει τρόπος να περιδιαβούμε τον Διαπλανητικό Χώρο, με το δυνατόν χαμηλότερο ενεργειακό κόστος;» 

Ή…

…αν υποθέσουμε ότι οι σύντροφοι του Οδυσσέα είναι η πολύτιμη ενέργεια και η Σκύλλα και η Χάρυβδη η ενεργοβόραπλανητική βαρύτητα που κυριαρχεί στον μεσοπλανητικό χώρο, θα μπορούσαμε να βρούμε τον τρόπο να τις χρησιμοποιήσουμε προς όφελός μας, ελαχιστοποιώντας τις ενεργειακές απώλειες;

Τα όπλα στην φαρέτρα των σχεδιαστών διαστημικών αποστολών, ως προς αυτήν την παράμετρο, χρησιμοποιούν ένα -εκ πρώτης όψεως- παράδοξο πυρομαχικό: την ίδια τη βαρύτητα

Η έρευνα έχει αποδώσει καρπούς κι έχει οδηγήσει στην δημιουργία ενός μεγάλου δικτύου μεσοπλανητικών τροχιών χαμηλής ενέργειας που κάνει χρήση τόσο του φαινομένου της Βαρυτικής Σφενδόνης (τίτλος ολίγον ατυχής), όσο και των ιδιοτήτων των χαρακτηριστικών Λαγκρανζιανών Σημείων που αντιστοιχούν σε κάθε ζεύγος αλληλεπιδρώντων ουρανίων σωμάτων. 

Ας πάρουμε όμως τα πράγματα με τη σειρά κι ας δούμε πρώτα πώς ακριβώς δουλεύει η Βαρυτική Σφενδόνη.

Βαρυτική Σφενδόνη ή Βαρυτική Ώθηση

Oι περισσότερες διαστημικές αποστολές που έχουν ξεκινήσει από τον πλανήτη μας για να εξερευνήσουν τον χώρο που μας περιβάλλει, από την κοντινή μας γειτονιά ως τα όρια του Ηλιακού συστήματος, είναι σχεδιασμένες με βάση την Ουράνια Μηχανική των JohannesKepler (1571 – 1630) και Sir Isaac Newton (1643 – 1727).

Σε αυτό το θεωρητικό πλαίσιο, αναζητήθηκε ένας εύκολος τρόπος χάραξης τροχιών χαμηλής ενέργειας. Οιελιγμοί βαρυτικής ώθησης (ή όπως αλλιώς αναφέρονται οι βαρυτικές σφεντόνες), είναι ένας σχετικά απλός και ανέξοδος τρόπος να χρησιμοποιηθεί η βαρύτητα ενός μεγάλου ουράνιου σώματος για την επιτάχυνση ενός διαστημοπλοίου.

Ας παρακολουθήσουμε, λοιπόν, ένα διαστημόπλοιο που πλησιάζει έναν πλανήτη, εισερχόμενο στο βαρυτικό του πεδίο, έτσι ώστε να περάσει αρκετά κοντά του, χωρίς όμως να παγιδευτεί από αυτόν, εξερχόμενο στο τέλος από το βαρυτικό του πεδίο. 

Παρατηρώντας το διαστημόπλοιο από το σύστημα αναφοράς του πλανήτη, κι εφαρμόζοντας την Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας, οδηγούμαστε στο συμπέρασμα πως δεν αποκομίζει κανένα ενεργειακό πλεόνασμα, αφού η βαρύτητα είναι δύναμη διατηρητική. Πιο συγκεκριμένα, όσο πλησιάζει προς τον πλανήτη τόσο πιο γρήγορα κινείται, αφού η βαρυτική έλξη του πλανήτη το επιταχύνει. Καθώς όμως απομακρύνεται, η ίδια βαρυτική έλξη το επιβραδύνει, έχοντας εκ πρώτης όψεως κερδίσει μόνο την αλλαγή κατεύθυνσής του. Η περίπτωση αυτή, μοιάζει με εκείνην ενός ποδηλάτη που κατηφορίζει επιταχυνόμενος προς μία κοιλάδα ενώ στη συνέχεια επιβραδύνεται ανερχόμενος από αυτήν.

Οι παρατηρήσεις και τα συμπεράσματά μας είναι βέβαια σωστά, εφόσον βρισκόμαστε στο σύστημα αναφοράς του πλανήτη, για το οποίο ο πλανήτης είναι ακίνητος.

Δισδιάστατη απεικόνιση της κίνησης διαστημοπλοίου που 
περνάει πλησίον του πλανήτη Δία, όπως φαίνεται από το 
σύστημα αναφοράς του ίδιου του πλανήτη. Η ελκτική δύναμη του Δία έχει προκαλέσει μια αξιοσημείωτη μεταβολή
στην κατεύθυνση της ταχύτητας ενώ το μέτρο της 
παραμένει αμετάβλητο (VOUT=VIN).

Δισδιάστατη απεικόνιση της κίνησης διαστημοπλοίου που περνάει πλησίον του πλανήτη Δία, όπως φαίνεται από το σύστημα αναφοράς του ίδιου του πλανήτη. Η ελκτική δύναμη του Δία έχει προκαλέσει μια αξιοσημείωτη μεταβολήστην κατεύθυνση της ταχύτητας ενώ το μέτρο της παραμένει αμετάβλητο (VOUT=VIN).

Για έναν παρατηρητή που βρίσκεται στον ήλιο, τα πράγματα θα είναι διαφορετικά. Σύμφωνα με τον παρατηρητή αυτόν, ο πλανήτης κινείται και αυτή ακριβώς η κίνηση είναι το κλειδί για την κατανόηση του φαινομένου τηςβαρυτικής σφενδόνης. Στη νέα αυτή θεώρηση των πραγμάτων, πρέπει να ληφθεί υπόψιν η περιφορά του πλανήτη γύρω από τον ήλιο και η τεράστια στροφορμή του. 

Καθώς το σύστημα διαστημόπλοιο – πλανήτης αλληλεπιδρά, ο πλανήτης «παρασύρει» στην κίνησή του το διαστημόπλοιο, έτσι ώστε αυτό να «κερδίζει» ένα μέρος από την στροφορμή και την κινητική ενέργεια του πλανήτη, αμελητέα για τον ίδιο, ιδιαίτερα σημαντική για το διαστημόπλοιο, αφού μπορεί να αυξήσει την ταχύτητά του έως και δύο φορές την τροχιακή ταχύτητα του πλανήτη!

Στην εικόνα που ακολουθεί, απεικονίζεται η βαρυτική ώθηση του Δία σε ένα διαστημικό σκάφος που εισέρχεται στο βαρυτικό του πεδίο.


Η ταχύτητα του πλανήτη καθώς περιφέρεται γύρω  από τον Ήλιο παριστάνεται με ένα ροζ βέλος  (απλουστευμένα φυσικά, αφού ως γνωστόν  ο πλανήτης κινείται κατά μήκος τόξου και όχι ευθείας γραμμής. Ο ήλιος βρίσκεται στο κάτω μέρος του διαγράμματος).  Η αρχική ταχύτητα του διαστημοπλοίου στο σύστημα αναφοράς του ήλιου, βρίσκεται αν προσθέσουμε διανυσματικά την αρχική του ταχύτητα, ως προς το σύστημα του πλανήτη, με την ταχύτητα 
του πλανήτη, ως προς το ίδιο σύστημα. Αντίστοιχα βρίσκουμε και την τελική ταχύτητα του διαστημοπλοίου.

Η ταχύτητα του πλανήτη καθώς περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο παριστάνεται με ένα ροζ βέλος (απλουστευμένα φυσικά, αφού ως γνωστόν ο πλανήτης κινείται κατά μήκος τόξου και όχι ευθείας γραμμής. Ο ήλιος βρίσκεται στο κάτω μέρος του διαγράμματος).  Η αρχική ταχύτητα του διαστημοπλοίου στο σύστημα αναφοράς του ήλιου, βρίσκεται αν προσθέσουμε διανυσματικά την αρχική του ταχύτητα, ως προς το σύστημα του πλανήτη, με την ταχύτητα του πλανήτη, ως προς το ίδιο σύστημα. Αντίστοιχα βρίσκουμεκαι την τελική ταχύτητα του διαστημοπλοίου.  Ας απλουστεύσουμε λίγο τα πράγματα, ώστε να εξάγουμε ένα μέτρο της ώθησης που ένας πλανήτης προσφέρει σε ένα διαστημόπλοιο. 

Περιοριζόμενοι, όπως και πριν στις δύο διαστάσεις, υποθέτουμε με πολύ καλή προσέγγιση, ότι η τροχιά του πλανήτη κατά το χρονικό διάστημα που διαρκεί η αλληλεπίδραση είναι περίπου ευθύγραμμηκαι η αλληλεπίδραση πλανήτη-διαστημικού σκάφους μοιάζει με μία ελαστική κρούση. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε δύο βασικές αρχές της φυσικής: την αρχή διατήρησης της Ορμής και την αρχή διατήρησης της Κινητικής Ενέργειας. Για περαιτέρω απλούστευση του προβλήματος, μπορούμε να κάνουμε κάποιες επιπλέον παραδοχές:

  • Η μάζα του πλανήτη είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την μάζα του διαστημοπλοίου, έτσι ώστε ο λόγος
  • Κατά την αλληλεπίδραση των δύο σωμάτων ο πλανήτης μεταβάλλει σημαντικά την ταχύτητα του διαστημοπλοίου, χωρίς να υπάρχει μετρήσιμη μεταβολή στην δική του ταχύτητα.
  • Η βαρυτική έλξη απλά στρέφει το διάνυσμα της ταχύτητας του διαστημοπλοίου, στο σύστημα αναφοράς του πλανήτη, αφήνοντας το μέγεθός του αναλλοίωτο. Αυτή ακριβώς η στρέψη (επιτάχυνση) αλλάζει το μέτρο της ταχύτητας στο ηλιοκεντρικό σύστημα αναφοράς.

Μετωπική Αλληλεπίδραση

Ξεκινάμε με την απλή περίπτωση που ένα διαστημόπλοιο πλησιάζει «μετωπικά» τον πλανήτη, δηλαδή με αρχική ταχύτητα \vec{V} παράλληλη προς την τροχιακή ταχύτητα \vec{U}  του πλανήτη, έτσι ώστε να περάσει πίσω από τον πλανήτη σε μια εξαιρετικά έκκεντρη υπερβολική τροχιά και να στραφεί κατά 180o, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Και οι δυο ταχύτητες ορίζονται στο σύστημα αναφοράς του Ήλιου. Συμβολίζουμε |\vec{V}|=V_{IN}\equiv V και |\vec{U}|=U_{IN}\equiv U.

Η διατήρηση της κινητικής ενέργειας και της ορμής δίνουν:

\mathbf{MU_{IN}^{2}+mV_{IN}^{2}=MU_{OUT}^{2}+mV_{OUT}^{2}}

\mathbf{MU_{IN}-mV_{IN}=MU_{OUT}-mV_{OUT}}

Όπου Μ, η μάζα του πλανήτηm, η μάζα του διαστημοπλοίου, και οι δείκτες ΙN και OUT, αντιστοιχούν στην προ και μετάαλληλεπίδρασης κατάσταση αντίστοιχα.

Σε συμφωνία με τις παραδοχές που κάναμε αρχικά, \mathbf{U_{OUT}\approx 0} συνεπώς λύνοντας το παραπάνω σύστημα ως προς \mathbf{V_{OUT}} έχουμε:

\mathbf{V_{OUT}=\frac{\left ( 1-\frac{m}{M} \right )V_{IN}+2U_{IN}}{1+\frac{m}{M}}}

Κι εφόσον

\mathbf{\frac{m}{M}\approx 0}

τελικά προκύπτει

\mathbf{V_{OUT}=V+2U}

Δηλαδή, σε αυτήν την περίπτωση το διαστημόπλοιο κερδίζει ταχύτητα ίση με το διπλάσιο της τροχιακής ταχύτητας του πλανήτη!!!

Υπό γωνία αλληλεπίδραση

Ας εξετάσουμε τώρα την περίπτωση που το διαστημόπλοιό μας πλησιάζει έναν πλανήτη υπό γωνία, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Δεχόμαστε ότι η διεύθυνση κίνησης του πλανήτη είναι ο x-άξονας και η κάθετη σε αυτόν που κείται στο τροχιακό επίπεδο, ο y-άξονας. Το διαστημόπλοιο αρχικά κινείται με ταχύτητα μέτρου |\vec{V}|=V, η οποία σχηματίζει γωνία θ με την ταχύτητα του πλανήτη.

Αναλύοντας σε συνιστώσες και χρησιμοποιώντας τον ίδιο συμβολισμό όπως και παραπάνω, έχουμε για την αρχική ταχύτητα:

\mathbf{\left (V_{IN}\right )_{x}=-V\cos \theta }

και

\mathbf{\left (V_{IN}\right )_{y}=V\sin \theta }

ενώ για την τελική ταχύτητα

$latex \mathbf{\left (V_{OUT}\right ){y}=\left (V{IN}\right )_{y}=V\sin \theta }$

και

\mathbf{\left (V_{OUT}\right )_{x}=V\cos \theta + 2U}

και με λίγη μαθηματική επεξεργασία

\boldsymbol{V_{OUT}=\left ( V+2U \right )^2 \sqrt[]{1-\frac{4UV\left ( 1-\cos \theta \right )}{\left ( V+2U \right )^2} }}

Όπως εύκολα διαπιστώνουμε, όσο οξύτερη είναι η γωνία αυτή, τόσο μεγαλύτερη η ώθηση του διαστημοπλοίου. Μάλιστα όταν θ=0o, τότε καταλήγουμε στο αποτέλεσμα της μετωπικής αλληλεπίδρασης, δηλαδή \mathbf{V_{OUT}=V+2U}.

Κατ’ αναλογία με την βαρυτική σφενδόνη, ένα παιδί ρίχνει μία μπάλα (που αντιστοιχεί στο διαστημόπλοιο) σε έναν κινούμενο σιδηρόδρομο (που αντιστοιχεί στον πλανήτη), 
Καθώς η μπάλα συγκρούεται με τον σιδηρόδρομο, «δανείζεται» ένα μέρος από την ορμή του.

Θα πρέπει εδώ να τονιστεί, αν και ίσως είναι περιττό, ότι η αύξηση της ταχύτητας που προκαλεί μια βαρυτική ώθηση, και συνεπώς της Κινητικής Ενέργειας του διαστημοπλοίου, δεν συνεπάγεται καμία παραβίαση της αρχής διατήρησης της ενέργειας, αφού για έναν ηλιοκεντρικό παρατηρητή η αύξηση της Κινητικής Ενέργειας του διαστημοπλοίου ισοφαρίζεται από μια ίση μείωση της Κινητικής Ενέργειας του Πλανήτη, οπότε στο σύστημα διαστημόπλοιο – Πλανήτης, η ενέργεια συνολικά παραμένει σταθερή.

Με την χρήση ενός δικτύου κωνικών τομών και κατάλληλων ελιγμών βαρυτικών ωθήσεων, σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα, είναι δυνατόν να πλοηγηθεί κάποιος σε ολόκληρο το Ηλιακό Σύστημα. 

Xαρακτηριστικό παράδειγμα εφαρμογής των ελιγμών που χρησιμοποιούν βαρυτικές ωθήσεις, είναι η χάραξη της πορείας της «διαστημικής εκστρατείας» στο Ηλιακό μας Σύστημα – και πέρα από αυτό-, των διαστημοπλοίων Voyager 1 και 2.

H διαστρική διαστημική αποστολή τους ξεκίνησε με την εκτόξευση του Voyager 2, στις 20 Αυγούστου 1977, από το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Kennedy. Ακολούθησε η εκτόξευση του Voyager 1, στις 5 Σεπτεμβρίου, 1977.

Σκοπός της, η επέκταση της εξερεύνησης του Ηλιακού Συστήματος, πέρα από την γειτονιά των εξωτερικών πλανητών, στο όριο επιρροής της Ηλιόσφαιρας και πιθανόν ακόμη παραπέρα. Διασχίζοντας το εξωτερικό Ηλιακό Σύστημα, τα δύο Voyagers αναζητούν το όριο της Ηλιόπαυσης, τα εξωτερικά όρια του Ηλιακού Μαγνητικού Πεδίου και την προς τα έξω ροή του ηλιακού ανέμου. 

Ένας από τους στόχους των Voyagers είναι ο εντοπισμός της Ηλιόπαυσης, της περιοχής εκείνης όπου η επίδραση του Ηλιακού ανέμου πέφτει και μπορεί να ανιχνευτεί ο διαστρικός χώρος.

Πρόσφατα μάλιστα το Voyager 1, έχοντας διασχίσει περίπου 18 δισ. χλμ., εισήλθε σε μια μυστηριώδη περιοχή μετάβασης στα όρια της Ηλιόσφαιρας, την λεγόμενη Ζώνη Εξασθένησης ή Μαγνητική Λεωφόρο, της οποίας την ύπαρξη δεν γνωρίζαμε. Στην περιοχή αυτή, οι γραμμές του Μαγνητικού Πεδίου που παράγεται από τον Ήλιο πυκνώνουν ενώ τα φορτισμένα, χαμηλής ενέργειας σωματίδια που επιταχύνονται στo ταραχώδες εξωτερικό στρώμα της ηλιόσφαιρας εξαφανίζονται. Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι αυτή είναι η τελευταία περιοχή της Ηλιόσφαιρας που διασχίζουν τα διαστημόπλοια πριν εξέλθουν στον Διαστρικό Χώρο.

Προσομοίωση των τροχιών των διαστημοπλοίων Voyager I & II προς τους εξωτερικούς πλανήτες του Ηλιακού Συστήματος. Φαίνονται οι χαρακτηριστικές κάμψεις της τροχιάς των σκαφών καθώς περνούν από την γειτονιά των πλανητών.

Στις 18 Οκτωβρίου 1989, ένας άλλος ουράνιος εξερευνητής με το όνομαGalileo, εκτοξεύτηκε με προορισμό τον πλανήτη Δία. Η αποστολή του έληξε όταν βυθίστηκε στην συνθλιπτική ατμόσφαιρα του γιγάντιου πλανήτη στις 21 Σεπτεμβρίου 2003. Η καταστροφή του ήταν σκόπιμη, ώστε να προστατευτεί μία από τις ανακαλύψεις του – ένας πιθανός ωκεανός κάτω από την παγωμένη κρούστα του δορυφόρου Ευρώπη.

Ο Γαλιλαίος άλλαξε τον τρόπο με τον οποίου βλέπουμε το ηλιακό μας σύστημα. Ήταν το πρώτο σκάφος που πέταξε πίσω από έναν αστεροειδή και το πρώτο που ανακάλυψε δορυφόρο σε αστεροειδή και παρείχε άμεσες παρατηρήσεις σύγκρουσης ενός κομήτη με έναν πλανήτη.

Πρώτος πήρε μετρήσεις της ατμόσφαιρας του Δία, με την χρήση ενός καταβατικού ανιχνευτή και πρώτος πραγματοποίησε μακροπρόθεσμες μετρήσεις του πλανήτη. Βρήκε επίσης στοιχεία ύπαρξης αλμυρού νερού κάτω από την Ευρώπη, τον Γανυμήδη και την Καλλιστώ και αποκάλυψε την ένταση της ηφαιστειακής δραστηριότητας στην Ιώ.

Η πορεία του διαστημικού σκάφους Γαλιλαίος.
Μετά την εκτόξευσή του (18 Οκτωβρίου, 1989), πραγματοποίησε τρεις 

ελιγμούς, έναν γύρω από την Αφροδίτη, έπειτα γύρω από την Γη
και πάλι την Γη, ώστε να αποκτήσει αρκετή ταχύτητα
για να φτάσει στην τροχιά του Δία.

Ναι μεν… αλλά!

Έχοντας διαβάσει κάποιος την απλουστευμένη σκιαγράφηση του φαινομένου της βαρυτικής σφενδόνης που προηγήθηκε, ίσως αποκομίσει την εντύπωση πως τα πράγματα «εκεί έξω» είναι απλά. Το μόνο που χρειάζεται για μια διαστημική αποστολή είναι ένα καλό και τεχνολογικά εξοπλισμένο διαστημοσκάφος, καύσιμα αρκετά για την εκτόξευση και την αποδέσμευση από το βαρυτικό πεδίο της Γης, και το ακρωτήριο… Κανάβεραλ. Την υπόλοιπη δουλειά την κάνει ο βοηθός της Βαρύτητας που προσφέρεται δωρεάν και απλόχερα στον Μεσοπλανητικό Χώρο του Ηλιακού Συστήματος. 

Στην πραγματικότητα βέβαια, τα πράγματα είναι… κάπως πιο πολύπλοκα!

H αλήθεια είναι πως οι Χωρικοί και Χρονικοί περιορισμοί στους οποίους υπόκεινται τα διαστημικά μας ταξίδια (εντός ή εκτός του ηλιακού συστήματος) είναι τεράστιοι και δεν είναι καθόλου εύκολο να τους υπερσκελίσει κανείς. Μάλιστα, κάποιος θα πει πως, από ένα σημείο και μετά, δεν είναι καν εφικτό.

Αξιολογώντας από την σκοπιά της ενέργειας τις διαστημικές αποστολές που χαράχθηκαν στην βάση της Ουράνιας Μηχανικής των Kepler και Newton, διαπιστώνει ότι όσο πετυχημένες κι αν ήταν αυτές, παραμένουν κάποια βασικά μειονεκτήματα που περιορίζουν το «βεληνεκές» τους. 

Κι αυτό, διότι παρόλο που το μοντέλο σχεδίασης των αποστολών το οποίο βασίζεται στις κωνικές τομές, φαίνεται να λειτουργεί καλά, ο παράγοντας της καύσιμης ύλης που είναι απαραίτητη για την πραγματοποίησή τους, περιορίζει σημαντικά το δρομολόγιο του διαστημοπλοίουακόμη και με την αρωγή της βαρυτικής ώθησης

Για παράδειγμα, χρειάζεται μία σημαντική ποσότητα καυσίμων ώστε ένα σκάφος να «φρενάρει», να τεθεί σε τροχιά γύρω από κάποιον πλανήτη ή δορυφόρο, να παραμείνει εκεί για λίγο και στην συνέχεια να εκτοξευτεί προς τον επόμενο προορισμό. 

Συνεπώς, καθώς το μέγεθος ενός σκάφους είναι περιορισμένο, όσο αυξάνεται η ποσότητα του καυσίμου με το οποίο πρέπει να εφοδιαστεί μια αποστολή, τόσο μικραίνει ο επιστημονικός εξοπλισμός που μπορεί να μεταφέρει. 

Μειώνοντας επομένως την ποσότητα του απαιτούμενου καυσίμου, αυξάνεται η ικανότητα ενός διαστημοσκάφους να μεταφέρει επιστημονικό εξοπλισμό, κάτι που κρίνεται ιδιαίτερα σημαντικό για την εξερεύνηση του διαστήματος. 

Το διαστημοσκάφος Cassini-Huygens το οποίο εξερευνά τον Κρόνο.
Από την αρχή της αποστολής του ως σήμερα, οι βαρυτικές ωθήσεις είναι απαραίτητο
στοιχείο της διαδικασίας με την οποία οι επιστήμονες πλοηγούν το σκάφος 
στα σημεία που θέλουν να πάει.

Εξάλλου,  τα περάσματα των διαστημοπλοίων από τους πλανήτες (όπως αυτά των Voyagers) καταλήγουν να είναι πολύ σύντομα (αφού η ταχύτητά τους είναι αρκετά μεγάλη σχετικά με τις πλανητικές ταχύτητες), ώστε το χρονικό διάστημα παρατήρησής τους να είναι ανεπαρκές.

Το επόμενο στάδιο των προσπαθειών  επίτευξης της μέγιστης «ενεργειακής οικονομίας» των διαστημικών αποστολών, έχει σημείο εκκίνησης τις προσπάθειες επίλυσης από τον εξέχοντα Γάλλο μαθηματικόJules-Henri Poincaré (1854 – 1912) του προβλήματος των τριών σωμάτων, σταθμούς τα ασταθή Λαγκρανζιανά σημεία, χαοτικά χαρακτηριστικά και αποτέλεσμα την αποκάλυψη ενός δαιδαλώδους ουράνιου δικτύου, της Διαπλανητικής Λεωφόρου.


[1]Κείθε θα ιδείς δυο θαλασσόβραχους᾿ του ενός στα ουράνια φτάνει
    η σουβλερή κορφή᾿ το σύγνεφο, που εκεί ψηλά τον ζώνει,
    το σκοτεινό, κανένας άνεμος δεν το σκορπάει, και μήτε
    για καλοκαίρι για χινόπωρο ποτέ η κορφή ξανοίγει.
   Θνητός απάνω εκεί δεν πάτησε᾿ κι είκοσι χέρια αν είχε
    κι είκοσι πόδια, δε θα δονούνταν ν᾿ ανέβει στην κορφή του᾿
    κοφτός ο βράχος ίσια υψώνεται, λες κι είναι δουλεμένος.
    Στη μέση εκεί του θαλασσόβραχου, στραμμένη στο σκοτάδι,
    στα δυσμικά, μια μαύρη ανοίγεται σπηλιά᾿ και σεις εκείθε
    θα προσδιαβείτε λέω με τ᾿ άρμενο, περίλαμπρε Οδυσσέα.
    Να ρίξει κι ένας χεροδύναμος θνητός με το δοξάρι
    κάτωθε, απ᾿ τ᾿ άρμενο, δε δύνεται να φτάσει στην κουφάλα
    του σπήλιου. Μέσα η Σκύλλα κάθεται κι άγρια αλιχτάει᾿ κι αν είναι 
    σαν κουταβιού μικρού, νιογέννητου το γαύγισμά της, όμως
    ατή της άγριο είναι παράλλαμα᾿ θωρώντας τη μπροστά του
    κανείς δε θα ‘νιώθε αναγάλλιαση, κι αθάνατος αν ήταν.
    Έχει μαθές ποδάρια δώδεκα, μισερωμένα, κι έξι
    λαιμούς ψηλούς, κι από ‘να υψώνεται στις άκρες τους κεφάλι
    τρομαχτικό, που ανοιεί το στόμα του με τρεις αράδες δόντια
    πυκνά, σφιχτοδεμένα, θάνατο που ξεχειλίζουν μαύρο.
    Με το μισό κορμί της κρύβεται στο βαθουλό το σπήλιο,
    κι απ᾿ τα φριχτά του βάθη βγάζοντας τις κεφαλές της όξω
    ψαρεύει αυτού, στο βράχο ολόγυρα γυρεύοντας δελφίνια,
    σκυλόψαρα, για κι αν τρανότερο θεριόψαρο τσακώσει,
    από τα μύρια που η βαριόμουγκρη θεά Αμφιτρίτη βόσκει.
    Δε βρίσκεται άρμενο που οι ναύτες του να παινευτούν πως φύγαν
    από το πλοίο το γαλαζόπλωρο και το τραβάει μαζί του.
    Ο άλλος ωστόσο θαλασσόβραχος τόσο αψηλός δεν είναι
    κι ουδέ μακριά απ᾿ τον πρώτο᾿ αν έριχνες, τον έφτανε η σαγίτα.
    Μια αγριοσυκιά κει πέρα βρίσκεται μεγάλη, φυλλωμένη,
    κι η Χάρυβδη η θεϊκιά στη ρίζα της αναρουφάει το κύμα.
    Τρεις το ξερνάει κάθε μερόνυχτο φορές και τρεις βρουχιώντας
    το αναρουφάει᾿ να μη σου τύχαινε να ‘σαι, ως ρουφάει, κοντά της,
    τι απ᾿ το χαμό δε θα σε γλίτωνε μηδέ κι ο Κοσμοσείστης!
    Γι᾿ αυτό στης Σκύλλας κοντοζύγωσε το βράχο το καράβι
    και πέρνα γρήγορα᾿ καλύτερα πολύ από τ᾿ άρμενό σου
    να λείψουν έξι μόνο σύντροφοι παρά να λείψουν όλοι.᾿


Ηλιακός Άνεμος

Ο ηλιακός άνεμος και η αλληλεπίδρασή του με τη Γήινη μαγνητόσφαιρα.

Ο ηλιακός άνεμος είναι ένα ρεύμα ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων που ρέουν από την ανώτερη ατμόσφαιρα του Ήλιου προς το Διάστημα.

Ο ήλιος εκτοξεύει ακατάπαυστα πλάσμααποτελούμενο κυρίως από πρωτόνια και ηλεκτρόνια,  προς όλες τις κατευθύνσεις, μορφοποιώντας την ηλιόσφαιρα, μια τεράστια φυσαλίδα που περιβάλει το ηλιακό σύστημα.Οι ιδιότητές του ηλιακού ανέμου δεν είναι σταθερές. Το στέμμα, το εξωτερικό στρώμα του ήλιου, φτάνει σε θερμοκρασίες που φτάνουν στους 2.106 Κ. Σε αυτές τις θερμοκρασίες, η βαρύτητα του ήλιου δεν μπορεί να συγκρατήσει τα ταχέως κινούμενα σωματίδια του πλάσματος, με αποτέλεσμα να διαστέλλεται προς τον Μεσοπλανητικό Χώρο με την μορφή αστρικού ανέμου. Η ηλιακή δραστηριότητα μετατοπίζεται κατά την διάρκεια του 11-ετούς κύκλου του ήλιου, ώστε ο αριθμός των ηλιακών κηλίδων, τα επίπεδα της ακτινοβολίας και το εκτινασσόμενο υλικό να αλλάζουν με την πάροδο του hχρόνου. Αυτές οι μεταβολές επηρεάζουν τις ιδιότητες του ηλιακού ανέμου, συμπεριλαμβανομένων των μαγνητικών του ιδιοτήτων, της θερμοκρασίας, της πυκνότητας και της ταχύτητάς του. Ο ηλιακός άνεμος επίσης διαφοροποιείται ανάλογα με το μέρος του ήλιου από το οποίο προέρχεται και το πόσο γρήγορα περιστρέφεται αυτό. 

Ηλιακός Άνεμος. Αλληλεπίδραση
με Γήινη Μαγνητόσφαιρα.

Ο ηλιακός άνεμος είναι υπερηχητικός με μέση ταχύτητα περίπου 400 km/s (4.105m/s). Με αυτήν την ταχύτητα, μία ποσότητα πλάσματος χρειάζεται περίπου 4 ημέρες για να φτάσει από τον Ήλιο στη Γη.  Ωστόσο στον ηλιακό άνεμο παρατηρούνται ροές δύο ταχυτήτων, έτσι ώστε να μιλάμε για αργό και για γρήγορο ηλιακό άνεμο.

Γιγάντια Στεμματική Οπή κοντά στον Βόρειο Ηλιακό Πόλο φωτογραφημένη από την ΝΑΣΑ στις 18 Ιουλίου, 2013.

Η ταχύτητα του ηλιακού ανέμου είναι μεγαλύτερη πάνω από τις Στεμματικές Οπές (δηλαδή τις σκοτεινές περιοχές του Ηλιακού Στέμματος – Coronal Holes) με τιμές που κυμαίνονται από 4.105 m/s έως 8.105 m/s. Η θερμοκρασία και η πίεση πάνω από τις στεμματικές οπές είναι χαμηλές και το μαγνητικό πεδίο ασθενές, ώστε οι δυναμικές μαγνητικές γραμμές προς το διάστημα να είναι ανοιχτές. Οι οπές αυτές εμφανίζονται στους πόλους και τα χαμηλά γεωγραφικά πλάτη και μεγιστοποιούνται όταν η ηλιακή δραστηριότητα βρίσκεται στο ελάχιστο. Οι θερμοκρασίες του γρήγορου ανέμου μπορούν να ανέλθουν στους 8.105 Κ. Είναι αρκετά σταθερός και χαρακτηρίζεται από χαμηλή μέση πυκνότητα (περίπου 3 ιόντα/cm3) στην 1AU. Περί το 4% των σωματιδίων του ανέμου είναι He.

Κατά το ηλιακό ελάχιστο, στην ζώνη γύρω από τον ισημερινό, και κατά το ηλιακό μέγιστο στις ενεργές περιοχές, ο ηλιακός άνεμος ταξιδεύει πιο αργά, με ταχύτητες που κυμαίνονται από 2,5.105 m/s έως 4.105 m/s. Οι θερμοκρασίες στον αργό άνεμο ανέρχονται στα 1,6.106 K. Η πυκνότητά του είναι 8 ιόντα/cm3 στη 1 AU και η πυκνότητα ροής του διπλάσια από αυτήν του γρήγορου ηλιακού ανέμου. Σε αντίθεση με τον γρήγορο ηλιακό άνεμο, ο αργός ηλιακός άνεμος είναι έντονα μεταβλητός και τυρβώδης.

Η εικόνα δείχνει τις μαγνητικές γραμμές του Ήλιου που εκτείνονται από ολόκληρη την επιφάνειά του προς τον Μεσοπλανητικό Χώρο.

Αλληλεπίδραση με την Γη


Παρόλο που ο ήλιος βρίσκεται σε απόσταση 149 εκατομμυρίων χιλιομέτρων από τη Γη, η ακατάπαυστη δραστηριότητά του έχει ως αποτέλεσμα μια διαρκή αλληλεπίδραση μαζί της, πέρα από το ορατό φως και την θερμότητα που της προσφέρει. Από τον σταθερό ηλιακό άνεμο ως τους απρόβλεπτους βομβαρδισμούς από τις ηλιακές εκλάμψεις (Solar Flares) και τις στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας (Coronal Mass Ejection), η Γη αισθάνεται συχνά την δραστηριότητα της αστρικής της συντρόφου.

Καθώς ο άνεμος απομακρύνεται από τον ήλιο, μεταφέροντας ταχέως κινούμενα φορτισμένα σωματίδια, μεταφέρει «παγωμένο» το μαγνητικό πεδίο του ήλιου. Συνεπώς, ο μαγνητισμένος ηλιακός άνεμος πλάσματος, παρασύρει προς το διάστημα το Ηλιακό Μαγνητικό Πεδίο, σχηματίζοντας το Διαπλανητικό Μαγνητικό πεδίο.  Κατευθυνόμενος προς όλες τις διευθύνσεις, φτάνει και στη Γη, περικυκλώνοντάς την συνεχώς και προκαλεί ορισμένα ενδιαφέροντα φαινόμενα.

Όταν η ύλη που μεταφέρει ο ηλιακός άνεμος φτάνει στην επιφάνεια ενός πλανήτη, η ακτινοβολία του μπορεί να προκαλέσει σοβαρή ζημιά σε κάθε ίχνος ζωής που πιθανόν υπάρχει εκεί. Το γήινο μαγνητικό πεδίο, λειτουργεί σαν ασπίδα, ανακατευθύνοντας το υλικό γύρω από τον πλανήτη, έτσι ώστε να ρέει πέρα από αυτόν. Η «δύναμη» του ηλιακού ανέμου, παραμορφώνει το μαγνητικό πεδίο της Γης, ώστε αυτό να συμπιέζεται προς την κατεύθυνση του ήλιου, δηλαδή στην ηλιόλουστη μεριά της Γης, και να επεκτείνεται προς την αντίθετη μεριά, εκείνην της νύχτας.

H μαγνητική προστατευτική ασπίδα της Γης.  Τα σωματίδια του ηλιακού ανέμου 
εκτρέπονται από αυτήν ώστε να μην φτάνουν στην Γη. Στην εικόνα φαίνεται το στάσιμο 
τοξοειδές κρουστικό κύμα (Bow Shock) που δημιουργείται, καθώς τα ταχέως κινούμενα σωματίδια του ηλιακού ανέμου επιβραδύνονται απότομα από την μαγνητόσφαιρα της Γης.

Μερικές φορές ο ήλιος εκτινάσσει μεγάλες ποσότητες πλάσματος με κολοσσιαίες εκρήξεις, γνωστές ως στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας.  Πιο συχνές κατά την περίοδο μέγιστης δραστηριότητας του ηλιακού κύκλου, γνωστή ως ηλιακό μέγιστο, οι στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας έχουν ισχυρότερες επιπτώσεις στη Γη από τον κοινό ηλιακό άνεμο.

Όταν ο ηλιακός άνεμος μεταφέρει υλικό από εκτοξεύσεις μάζας ή άλλες ισχυρές εκρήξεις ακτινοβολίας στο μαγνητικό πεδίο ενός πλανήτη, μπορεί να προκαλέσει συμπίεση του πεδίου πίσω από τον πλανήτη (στην σκοτεινή του πλευρά)  και επανασύνδεση των μαγνητικών γραμμών. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται μαγνητική επανασύνδεση. Τα φορτισμένα σωματίδια του ηλιακού ανέμου ρέουν πίσω, προς τους μαγνητικούς πόλους του πλανήτη, προκαλώντας όμορφους σχηματισμούς στην ανώτερη ατμόσφαιρα, γνωστούς ως Πολικό Σέλας (βόρειο και νότιο).

Βόρειο Σέλας πάνω από το Ivalo, Βόρεια Λαπωνία, Φινλανδία, 22 Ιανουαρίου, 2012
Βόρειο Σέλας στο Kattfjord της Νορβηγίας
Βόρειο Σέλας πάνω από την Βόρεια Νορβηγία, 22 Ιανουαρίου, 2012

Παρόλο που μερικά ουράνια σώματα προστατεύονται από το μαγνητικό τους πεδίο, κάποια άλλα δεν τυγχάνουν τέτοιας προστασίας. Η σελήνη, για παράδειγμα, ο δορυφόρος της Γης, δεν έχει ασπίδα προστασίας και για τον λόγο αυτόν είναι ακάλυπτη στις «διαθέσεις» του ηλιακού ανέμου. Ο Ερμής, ο κοντινότερος σε μας πλανήτης, έχει μαγνητικό πεδίο που τον προασπίζει από τον κανονικό μέσο ηλιακό άνεμο, αλλά όχι από τις πιο ισχυρές αναλάμψεις όπως οι στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας.

Όταν το γρήγορο και το αργό ρεύμα ανέμου αλληλεπιδρούν (συγκεκριμένα όταν ένα γρήγορο ρεύμα συναντήσει ένα προπορευόμενο αργό), δημιουργούν περιοχές υψηλής πυκνότητας, γνωστές ως (συν)περιστρεφόμενες περιοχές αλληλεπίδρασης, που πυροδοτούν γεωμαγνητικές καταιγίδες, όταν αλληλεπιδρούν με την ατμόσφαιρα της Γης.

Περιστρεφόμενη Περιοχή Αλληλεπίδρασης. Διακρίνεται η δημιουργία δύο κρουστικών κυμάτων αλληλεπίδρασης γρήγορου και αργού ρεύματος ηλιακού ανέμου, του ηγούμενου (Forward Wave) και του ανάστροφου (Reverse Wave) και η μεταξύ τους συν-περιστρεφόμενη περιοχή.