James Webb no ponto L2

O Telescópio Espacial James Webb foi colocado a 1.5 milhões de quilómetros de distância de nós, tal como indica a Figura 1. Acompanha a Terra no seu movimento orbital à volta do Sol, ao mesmo tempo que se move num plano perpendicular a este, descrevendo uma outra órbita em torno de um ponto específico no Espaço. Não é fácil de imaginar, pois não?

Os cientistas designam este ponto por L2 (a vermelho na figura). O vídeo ajuda-nos a perceber a trajetória descrita anualmente pelo JWST, como resultado dos dois movimentos referidos.

Mas porquê este ponto? A Física prevê a existência de regiões no espaço onde os campos gravitacionais de dois corpos maciços que rodam em torno de um centro de massa comum, como o Sol e a Terra, se podem combinar para permitir que um terceiro corpo de massa desprezável tenha uma órbita fechada na proximidade, com pequenas correções. Nessa configuração, as posições relativas dos três corpos são fixas. 

E porque se chama L2? Porque neste caso estamos a considerar o segundo ponto de Lagrange, o físico franco-italiano que fez esta importante descoberta no séc. XVIII. Então há mais pontos de Lagrange? Sim. No total há 5, do L1 ao L5. O ponto L2 é o que nos interessa porque permite que o JWST gaste a menor energia possível numa órbita periódica em torno do Sol.

Lagrange, matemático e astrónomo

Joseph Louis Lagrange foi um matemático e astrónomo franco-italiano. Nasceu a 25 de Janeiro de 1736 em Turim, que na época era território francês. Tornou-se conhecido por fazer um grande trabalho sobre o movimento planetário. Foi o responsável pelo desenvolvimento de um método alternativo de escrita das Equações do Movimento de Newton, referido como “Mecânica Lagrangeana”.

Pontos de Lagrange

As Leis de Kepler da Mecânica Celeste exigiam que corpos de massa reduzida, como satélites naturais e asteroides, não poderiam estar numa órbita diferente da Terra se tivessem o mesmo período de translação de 1 ano em torno do Sol.

Lagrange demonstrou que esta Lei não é inteiramente verdade, porque existem 5 pontos privilegiados nos quais um satélite pode permanecer numa posição fixa em relação aos outros dois objetos maciços. Chamou-lhe ‘pontos Lagrangeanos’ e, em 1772, definiu em que condições podem ocorrer:

Três dos 5 pontos de Lagrange têm estabilidade em duas dimensões: L1, L2 e L3. Por outras palavras, na vizinhança destes pontos podem ser colocados satélites artificiais em órbitas fechadas com uma orientação bem definida, mediante correções periódicas.

Que critérios levaram os cientistas a escolher L2? Este ponto encontra-se numa posição de alguma estabilidade que permite que o JWST poupe combustível quando fizer as suas correções orbitais. Para além disso, neste local o telescópio pode acompanhar o nosso planeta no seu movimento orbital em torno do Sol; permitindo que os seus painéis solares permaneçam voltados para este último, enquanto os seus espelhos e detetores apontam para o exterior do Sistema Solar. 

Como se calcula a posição do ponto L2? Resolvendo um sistema de equações que tem por base 4 permissas:

     1. Sistema formado por 3 corpos, Sol - Terra - JWST, em que um tem massa desprezável (o próprio James Webb);

     2. Aplicação da 3.ª Lei de Kepler à órbita conjunta da Terra e do JWST em torno do Sol;

     3. Centro de massa do sistema situado na origem do referencial dos 2 corpos de maior massa;

     4. Aplicação da Força de Coriolis - a força de inércia que atua juntamente com a força centrífuga e a força de arrastamento sobre um corpo cujo sistema de referência se encontra em rotação.

Para mais informações, aconselhamos a leitura deste artigo.

Face a tudo isto, há então 3 grandes vantagens na utilização do ponto L2:

Observações de qualidade nos infravermelhos 

O JWST tem como missão principal observar o Universo no infravermelho próximo e médio, radiação que por vezes pode ser sentida sob a forma de calor. Como se pretendem observar objetos muito distantes nestas regiões do espectro, os seus instrumentos precisam de ser protegidos de fontes brilhantes e quentes, como é o caso do Sol. 

Local privilegiado para observar o Universo

Para além das razões já referidas, o ponto L2 é um ótimo lugar para observar o Universo porque proporciona um ambiente térmico muito estável para o funcionamento do JWST. Os instrumentos e os espelhos têm de ser mantidos a temperaturas muito baixas, como a que está indicada na figura. Para além disso, este ponto irá manter o JWST fora do alcance da Lua ou da sombra da Terra; permitindo que as observações sejam feitas constantemente, ao reduzir as vistas obstruídas.

Comunicações permanentes com a Terra

O ponto L2 permite que as comunicações com a Terra sejam constantes.