Od czasu odkrycia w 1772 roku dwóch stabilnych punktów Lagrange'a, L4 i L5, (Rys. 1) w polu grawitacyjnym dwóch masywnych ciał, poruszających się wyłącznie pod wpływem ich wzajemnej grawitacji wiadomo, że małe masy, poddane tylko tym siłom pozostają we stałej pozycji względem siebie. Astronomowie znaleźli wiele mniejszych ciał w pobliżu punktów L4 i L5 w układach Słońce-Jowisz, Słońce-Ziemia, Słońce-Mars, Słońce-Neptun. W 1961 roku, polski astronom, Kazimierz Kordylewski, obserwował dwie jasne plamy w okolicy punktu L5, w układzie Ziemia-Księżyc. Od tego czasu obserwowane obiekty są nazywane Księżycami (lub obłokami) Kordylewskiego, ale wielu astronomów kwestionuje realność tych księżyców. Sądzą, że perturbacje grawitacyjne wywoływane przez Słońce, wiatr słoneczny oraz inne planety przeważają nad stabilizacyjnym działaniem punktów L4 i L5 układu Ziemia – Księżyc. Węgierscy astronomowie posługując się naziemną polarymetrią obrazową uzyskali nowe dowody istnienia obłoków Kordylewskiego w okolicy punktu L5 w układzie Ziemia-Księżyc. Po wykluczeniu wszystkich innych artefaktów spowodowanych przez teleskop lub atmosferę Ziemi jedynym wyjaśnieniem wyników obserwacji pozostaje polaryzacja światła słonecznego, rozpraszanego na cząsteczkach w punkcie L5. Na podstawie uzyskanych wyników obserwacji węgierscy badacze sądzą, że należy ponownie przeanalizować pionierskie obserwacje Kordylewskiego. Nowe, polarymetryczne dowody są też zgodne z wynikami symulacji komputerowych powstawania obłoków w punkcie L5 w układzie Ziemia-Księżyc.
Techniki polarymetrii są niezwykle użyteczne przy badaniu zjawisk astronomicznych na rozciągłych obszarach. Teleskopy wyposażone w polarymetry mogą badać tzw. neutralne punkty w ziemskiej atmosferze, odległe gwiazdy, galaktyki i mgławice. W astronomii większość informacji pochodzi z badania światła. Światło słoneczne jest niespolaryzowane, ale po rozproszeniu np. w pyle w atmosferze staje się spolaryzowane liniowo. Co więcej, fale o większej długości są słabiej rozpraszane niż te o mniejszej długości. Dlatego obłoki Kordylewskiego trudniej wykryć w zakresie podczerwonym niż w świetle widzialnym. W obu zakresach jest jednak widzialna poświata. Jest to możliwe w pobliżu fazy „pełni” pyłowego księżyca. Gdy jednak rejestrujemy światło liniowo spolaryzowane, stopień polaryzacji, p, światła rozproszonego jest największy dla konta fazowego 90°, czyli pierwszej lub ostatniej kwadry.
Profesor Gabor Horvath, kierownik Environmental Optics Laboratory na Uniwersytecie Eötvösa w Budapeszcie wyjaśnia:
"Rzeczywiście, przy kątach bliskich 90° zarejestrowaliśmy polaryzację, charakterystyczną dla obłoków Kordylewskiego w układzie L5 Ziemia-Księżyc. Światło słoneczne rozpraszane przez pył, zostaje częściowo spolaryzowane w kierunku prostopadłym do płaszczyzny rozpraszania wyznaczonej przez Słońce. Odnaleźliśmy tę przewidzianą polaryzację (Rysunek 2 B). Jest to jeden z najlepszych dowodów obserwacji rozpraszania światła słonecznego poza ziemską atmosferą. Wyniki zostały przedstawione w pracach:"
[1] Judit Slíz-Balogh, András Barta, Gábor Horváth (2018) Celestial mechanics and polarization optics of the Kordylewski dust cloud in the Earth-Moon Lagrange point L5 - Part I. Three-dimensional celestial mechanical modelling of dust cloud formation. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 480 (4): 5550-5559 (doi: 10.1093/mnras/sty2049)
[2] Judit Slíz-Balogh, András Barta, Gábor Horváth (2018) Celestial mechanics and polarization optics of the Kordylewski dust cloud in the Earth-Moon Lagrange point L5 - Part II. Imaging polarimetric observation: new evidence for the existence of Kordylewski dust cloud. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 482 (1): 762-770 (doi: 10.1093/mnras/sty2630)
"Nasze obrazujące pomiary fotometryczne zostały przeprowadzone przy użyciu chłodzonej kamery CCD, wyposażonej w trzy liniowe polarymetry, których osie były obrócone względem siebie o 120°. W wybranym obszarze nieba wykonywaliśmy zdjęcia z każdym filtrem polaryzacyjnym, w ciągu 180 sekund." - raportuje Judit Sliz, astronom z Eotvos University, która prowadziła obserwacje w swoim prywatnym obserwatorium.
"Aby zarejestrować Księżyce Kordylewskiego używaliśmy sekwencyjnej polarymetrii obrazowej: po uzyskaniu trzech zdjęć wybranego obszaru nieba poprzez liniowe polaryzatory, przy trzech różnych kierunkach polaryzacji, ocenialiśmy obrazy z przy pomocy naszego własnego softwere, zwanego Algonet. Ostatecznie, otrzymywaliśmy obrazy świecenia tego obszaru w zakresie czerwonym, zielonym i niebieskim", mówi dr Andreas Barta, z Estrato Research and Development in Budapest.
Rys. 3 i 4 pokazują gwiaździste niebo z Ziemią, Księżycem i obłokami Kordylewskiego w punkcie L5, tak, jak gdyby obłoki były widoczne gołym okiem.
Węgierscy uczeni badali też trzywymiarowy, czterociałowy model komputerowy złożony ze Słońca, Zeimi, Księżyca i cząstki próbnej i dynamikę wokół punktu L5. Uwzględniali ciśnienie wiatru słonecznego, ciśnienie Poyntinga-Robertsona. Symulacje komputerowe wykazały, że obiekty o rozmiarach od mikrona do rozmiarów okruchów skalnych mogą pozostawać w punkcie L5 przez długi czas.
W szczególnych przypadkach, istnieją ścisłe analityczne rozwiązania problemu trzech ciał. Jednak problem czterech ciał (Słońce, Ziemia, Księżyc i cząstka próbna) może być rozwiązany tyko numerycznie. Używaną przez nas metodą numeryczna była rutyna Rungego-Kutty. Byliśmy ciekawi czy jest szansa na znalezienie materii w punktach L4 i L5. Wyniki naszych symulacji dowodzą, że jest możliwość złapania i utrzymania materii w tych punktach na wiele lat. Ale kształt tych obłoków ciągle będzie się zmieniał.
Stabilność punktów L4 i L5 w układzie Ziemia-Księżyc ma duże znaczenie. Są stabilnymi miejscami lokowania satelitów i teleskopów. W tym położeniu nie jest wymagana duża ilość paliwa do utrzymania ich stabilnej pozycji. Miejsca te mogą być używane jako stacje przesiadkowe w podróżach na Marsa i inne planety.
Więcej informacji: serwis informacyjny Royal Astronomical Society
Rys. 1. pozycja Księżyca i punktu L5 w układzie Ziemia-Księżyc, w płaszczyźnie orbity Księżyca. Dane na 19 sierpnia, 2017, 01:14:15 UTC. Poza Ziemią i Księżycem skale nie są realistyczne. Kierunek Słońca wskazuje strzałka.
Rys. 2. Mozaika zdjęć pokazująca zmierzony stopień polaryzacji liniowej p (A) i kąt polaryzacji alpha (zgodnie z kierunkiem ruchu zegara) obłoku Kordylewskiego w otoczeniu punktu L5 (punkt), w układzie Ziemia-Księżyc, 19 sierpnia, 2017 roku, w zakresie zielonym (550 nm) w obrazowej polarymetrii. Krótkie, białe strzałki odpowiadają lokalnemu kierunkowi polaryzacji. Długie , żółte i białe proste linie ukazują płaszczyznę rozpraszania i płaszczyznę prostopadła.
Rys. 3. Tak wyglądałby obłok pyłowy Kordylewskiego, w okolicy punktu L5, na niebie o 01:14 UT, 19 sierpnia 2017 roku, gdybyśmy mogli zobaczyć go gołym okiem.
Rys. 4. Ilustracja (nie zachowana skala) nocnego nieba z Ziemią, Księżycem, Słońcem i obłokiem Kordylewskiego w punkcie L5, gdyby obłok był widzialny goły okiem.
