Le 25 décembre 2021, une fusée Ariane 5 s’est envolée depuis Kourou, en Guyane, avec à son bord le télescope spatial James-Webb (JWST). Celui-ci a atteint sa destination trente jours plus tard, à quelque 1,5 million de kilomètres de la Terre, dans une direction opposée à celle du Soleil. À cette distance, il orbite autour d’un point de l’espace qui tourne autour du Soleil au même rythme que la Terre. Ce point particulier, connu sous le nom de point de Lagrange, est un concept développé par le mathématicien et physicien français Joseph Louis Lagrange au XVIIIe siècle. Lagrange a démontré l’existence de cinq de ces points pour le système Terre-Soleil, qui présentent des avantages significatifs pour l’astronomie et l’exploration spatiale.
Le mouvement de deux corps massifs en interaction gravitationnelle est relativement simple, avec des trajectoires qui peuvent être des cercles, des ellipses, des paraboles ou des hyperboles, classées sous le terme de coniques. Cependant, lorsque l’on introduit un troisième corps, la complexité augmente considérablement, rendant les trajectoires chaotiques. Ce « problème à trois corps » n’a jamais été entièrement résolu, malgré de nombreuses recherches.
Dans un système où l’une des trois masses est négligeable par rapport aux deux autres, il est possible de déterminer la trajectoire des deux objets les plus massifs, puis d’étudier le mouvement du troisième. C’est dans ce cadre que Lagrange a identifié ses points d’équilibre.
Pour le système Soleil-Terre et un satellite comme le JWST, la Terre orbite autour d’un centre de masse situé à l’intérieur du Soleil. Lagrange a montré qu’il existe cinq positions dans lesquelles un objet placé y reste immobile par rapport à ce centre de masse. En pratique, cela signifie que ces objets tournent autour du centre de masse avec la même vitesse angulaire que la Terre, et la force gravitationnelle est équilibrée par la force centrifuge.
Les points de Lagrange, bien que théoriquement stables, ne sont pas des lieux d’équilibre parfaits. Ils sont caractérisés par des extrema qui ne sont pas stables, ce qui signifie qu’une légère perturbation pourrait faire s’éloigner un satellite de sa position. Cependant, la force de Coriolis stabilise les points L4 et L5, permettant ainsi une présence prolongée d’objets célestes.
Des points bien utiles
Le JWST est placé près du point L2, rejoignant d’autres engins spatiaux tels que WMAP, Herschel, Planck et Gaia. Ce point présente plusieurs avantages : il est relativement proche de la Terre, il est peu probable qu’un corps céleste y perturbe la mission, et le bilan des forces y est faible, facilitant les corrections de trajectoire. Ces caractéristiques sont essentielles pour le réseau de transport interplanétaire, qui est conçu pour utiliser des trajectoires nécessitant peu d’énergie.
Le coût de maintien de l’orbite du JWST est limité, équivalant à une augmentation annuelle de sa vitesse de 2,5 mètres par seconde. De plus, l’inclinaison du télescope par rapport à l’écliptique garantit qu’il ne sera jamais dans l’ombre de la Terre ou de la Lune, permettant ainsi une communication continue avec la Terre.
Le point L2 est devenu un emplacement stratégique pour les missions spatiales, et le JWST sera bientôt rejoint par d’autres télescopes spatiaux, tels qu’Euclid et Nancy-Grace-Roman.
Source : Pour la Science.
