Come accennato in un recente articolo di Elisabetta Bonora, la missione Artemis prevede l'utilizzo di un particolare tipo di orbita detta "non-rectilinear halo". Diciamo subito che non si tratta di una orbita in senso classico, in quanto la rivoluzione non avviene intorno a una massa più grande1 ma intorno ad un punto in cui non c'è nulla. Non si tratta però di un punto qualsiasi, dato che stiamo parlando di uno dei cosiddetti "punti di librazione" o "punti di Lagrange".2
La regione di spazio intorno al nostro pianeta che ingloba sia l'orbita lunare che i cinque punti di librazione è chiamata zona cislunare e si estende fino a quasi mezzo milione di km dal comune centro di massa. In questa zona dominata dalla gravità terrestre e lunare esiste la possibilità di effettuare particolari manovre dalle traiettorie insolite, che sfruttano queste due forze; dato che siamo dentro la sfera di influenza gravitazionale (sfera di Hill) terrestre e ci muoviamo con essa, la gravità del Sole agisce come un effetto mareale di secondo ordine, insieme alla forza centrifuga ad essa opposta.
Un'orbita halo è un'orbita periodica tridimensionale percorribile da un terzo corpo di massa trascurabile in prossimità dei punti di Lagrange L1, L2 o L3 di altri due corpi. La periodicità dell'orbita è rispettata veramente solo nel caso ideale di una eccentricità orbitale nulla dei due corpi maggiori, nelle situazioni reali come il sistema Terra-Luna le orbite aureola si avvicinano a un'orbita periodica ma non si chiudono perfettamente e sono "quasi periodiche". In realtà, esse rientrano nella categoria più generale delle "orbite di Lissajous" che hanno periodi e fasi differenti lungo i tre assi dello spazio e finiscono per riempire una superficie con una serie di "ghirigori", come illustrato nella figura seguente.
Due tipi di orbita quasi periodica, attorno al punto L2 tra Terra e Sole, quella quasi-aureola in rosso e quella di Lissajous in verde; in blu sono indicate le orbite ideali chiuse di Lyapunov orizzontale e verticale - Credits: W.Ulrich "2018_Book_Astronautics"
Per ogni punto di Lagrange esistono numerose coppie di orbite halo, simmetriche rispetto al piano dell'orbita dei due corpi principali. La prima missione ad usare un'orbita del genere è stata ISEE-3, lanciata nel 1978, posizionatasi nel punto L1 del sistema Sole-Terra dove rimase per diversi anni; oggi esistono parecchi satelliti scientifici intorno alle prime due zone di librazione nel sistema Terra-Sole, come l'osservatorio astrometrico GAIA che percorre un'orbita Halo attorno ad L2. Il satellite-ripetitore cinese Queqiao segue invece un'orbita aureolare attorno al punto L2 del sistema Terra-Luna, circa 60000 km oltre il satellite naturale.
Note
1) Se proprio vogliamo dirla tutta, anche le orbite classiche non avvengono attorno a una massa ma, semmai, entrambi i corpi (quello maggiore e il suo satellite) orbitano attorno al comune baricentro, per effetto dell'attrazione gravitazionale reciproca; pertanto, non è affatto strano affermare che un corpo orbiti attorno ad un punto immateriale, invece a rigore è sbagliato dire che un satellite orbita attorno ad un pianeta o che un pianeta giri attorno ad una stella! Questo modo di esprimersi errato ma diffuso è giustificato solo come approssimazione, sicuramente valida nel caso di un satellite artificiale della Terra o di un pianeta terrestre intorno al Sole poiché, in questi casi, la grande differenza di massa e la distanza non eccessiva fanno praticamente coincidere il baricentro del sistema con il centro geometrico del corpo più grande. Invece, se parliamo del movimento di rivoluzione della luna o di quello dei pianeti giganti nel Sistema Solare, tale approssimazione comincia a non funzionare tanto bene e diventa del tutto inapplicabile in un pianeta doppio (come il sistema Plutone-Caronte) o in una stella doppia!
2) Il problema dei tre corpi, celebre rompicapo nella teoria della gravitazione, non ha soluzioni generali ma Lagrange dimostrò che, quando uno dei tre corpi ha massa trascurabile, esistono cinque punti o regioni di "librazione" in cui tale corpo può stazionare in equilibrio più o meno stabile rispetto agli altri due più massicci; nel caso di cui stiamo parlando, il corpo di massa trascurabile è la nave spaziale mentre gli altri due sono ovviamente Terra e Luna. I cinque punti sono fissi nel sistema di riferimento rotante solidale con i due corpi maggiori e le loro posizioni sono illustrate di seguito, insieme alle linee di uguale potenziale generalizzato (quello gravitazionale e quello fittizio di rotazione, legato alla forza centrifuga apparente);le frecce rosse e blu che indicano rispettivamente le direzioni di stabilità e instabilità dell'equilibrio.
Credit: David A. Kring, LPI-JSC Center for Lunar Science and Exploration
Riferimenti:
https://space.stackexchange.com/questions/4050/is-there-a-lot-of-space-trash-at-the-earth-moon-lagrange-points
https://en.wikipedia.org/wiki/Near-rectilinear_halo_orbit
https://it.wikipedia.org/wiki/Orbita_halo
https://it.wikipedia.org/wiki/Punti_di_Lagrange
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