Τίτλοι από τα όρια της πραγµατικότητας

Transcript

1

2

3 Πρόλογος Τίτλοι από τα όρια της πραγµατικότητας Η κοσµοθεωρία της σύγχρονης αστρονοµίας «Όσο αυξάνεται η απόσταση µειώνεται η γνώση µας και µειώνεται γρήγορα, µέχρι εν µέσω φανταστικών σφαλµάτων παρατήρησης να αρχίσουµε να ψηλαφούµε στον έσχατο θολό ορίζοντα τα σηµεία προσανατολισµού που ακόµα δεν έχουν αποκτήσει καν ουσία. Η αναζήτηση θα συνεχιστεί. Το ένστικτο υπήρχε πριν από την ιστορία και όσο δεν ικανοποιείται θα παρα- µένει ασυγκράτητο.» (Έντουιν Χαµπλ) Η ανάγκη να εξερευνήσουµε και να κατανοήσουµε το σύµπαν είναι τόσο παλιά όσο και η ανθρωπότητα. Εξάλλου η αστρονοµία θεωρείται η αρχαιότερη από όλες τις φυσικές επιστήµες. Ο έναστρος ουρανός είχε πάντα ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τον άνθρωπο. Στην αρχή ήταν γεµάτος θεούς. Η έρευνα της αστρονοµίας κέρδισε ακόµα µεγαλύτερη αξία όταν αντιληφθήκαµε ότι η ανθρώπινη νόηση, αυτή η θεϊκή σπίθα που ενυπάρχει στον άνθρωπο, έχει τη δυνατότητα να κατανοήσει το σύµπαν χωρίς τη βοήθεια των θεών. Με κάθε νέο «Εύρηκα!» άλλαζε και η κοσµοθεωρία της αστρονοµίας. Γι αυτό εξάλλου κάθε περιγραφή της εκάστοτε σύγχρονης αστρονοµικής κοσµοθεωρίας αποτελεί µόνο έναν προσωρινό α- πολογισµό, όπως πολύ επιτυχηµένα το έχει διατυπώσει και ο Νιλς Μπορ: «Όλα είναι εφικτά στο σύµπαν, αρκεί να φαίνονται αρκετά παράλογα.»

4 6 Πρόλογος Ποιο είναι το σηµείο αφετηρίας µιας επιστήµης που αναζητά το Όλον; Η αστρονοµία του 21ου αιώνα είναι µια επιστήµη της έρευνας που προσπαθεί να µάθει και να κατανοήσει το πώς γεννήθηκε και δοµήθηκε ο κόσµος το σύµπαν ως Όλον. Αναζητά την εξέλιξη του σύµπαντος και κατά συνέπεια τους βασικούς νόµους που το διέπουν. Πρόκειται για µια λογική αλληλουχία, για τη φυσική των συσχετισµών και όχι πλέον για µεµονωµένα άστρα ή γαλαξίες. Σχεδόν σε κάθε σύγχρονο επιστηµονικό άρθρο αστρονοµίας εµφανίζονται έννοιες όπως η εξέλιξη και η πολυπλοκότητα. Ο µετασχηµατισµός της αστρονοµίας σε αστροφυσική ξεκινάει µε το πρώτο βλέµµα µέσα από τηλεσκόπιο, µε τον Γαλιλαίο Γαλιλέι ο οποίος το 1608 προέτρεψε ακόµα και τους ιεροεξεταστές του Βατικανού να κοιτάξουν µέσα από το τηλεσκόπιο εισάγοντας έτσι µια συστηµατική επιστηµονική µέθοδο παρατήρησης. Με τη θεµελιώδη αρχή του Ισαάκ Νεύτωνα τη µαθηµατική περιγραφή των παρατηρήσεων και µε τη βοήθεια φυσικών νόµων, όπως ο νόµος της βαρύτητας, που βασίζονται σε µαθηµατικές αρχές και προκύπτουν από τους νόµους που ισχύουν για την κίνηση των πλανητών, άρχισε να γεννιέται µια αστρονοµία θε- µελιωµένη στη φυσική. Αυτή η αστρονοµία έκανε µέθοδό της την αλληλεπίδραση µεταξύ θεωρητικών απόψεων και παρατηρήσεων που γίνονται µε τη βοήθεια οργάνων. Στο παρόν βιβλίο θα προσπαθήσουµε να ρίξουµε φως σε αυτή την αλληλεπίδραση υπό το πρίσµα της σύγχρονης αντίληψης των ζητηµάτων. Με εικόνες που επιτρέπουν, όπως το τηλεσκόπιο του Γαλιλαίου, µια νέα όψη των αστρονοµικών σωµάτων για παράδειγµα, του ηλιακού συστήµατος, το οποίο είναι το θέµα του βιβλίου που κρατάτε στα χέρια σας. Η εικόνα στο εξώφυλλο είναι προσοµοίωση σε υπολογιστή ενός ηλιακού συστή- µατος το οποίο αναπτύσσεται µέσα από ένα περιστρεφόµενο νέφος αερίου και σκόνης µια σύγχρονη εικόνα από τις παρατηρήσεις του ηλιακού µας συστήµατος, το οποίο παρουσιάζει µεγάλα κενά ανάµεσα στους πλανήτες αλλά και περιοχές µε σκόνη και µικρά σώµατα που στο νυχτερινό ουρανό φαίνονται σαν κοµήτες ή πεφταστέρια. Άραγε τι είναι αυτό που κάνει τους φυσικούς επιστήµονες να πιστεύουν ότι τα στοιχεία που συλλέγουν από πειράµατα ή παρατηρήσεις ή ακόµα

5 Πρόλογος 7 και από προσοµοιώσεις έχουν οποιαδήποτε σχέση µε την πραγµατικότητα; «Σε νον ε βέρο, ε µπεν τροβάτο» (ακόµα κι αν δεν είναι αληθινά, είναι πάντως πολύ καλά επινοηµένα), όπως έχει πει και ο Τζιορντάνο Μπρούνο. ηλαδή οι φυσικοί νόµοι είναι απλώς και µόνο καλά επινοηµένοι; Ή, για να το πούµε διαφορετικά, πού βασίζεται η αξιοπιστία των φυσικών επιστηµόνων; Πώς να κατανοήσουµε το γεγονός ότι η ιεθνής Αστρονο- µική Ένωση (IAU) αποφασίζει αν ο Πλούτωνας είναι πλανήτης ή όχι; Η πίστη στη µέθοδο της φυσικής επιστήµης τροφοδοτείται από τις αµέτρητες επιτυχίες που έχει στο ενεργητικό της. Οι παρατηρήσεις και τα πειράµατα αναζητούν εξηγήσεις. Μοντέλα και θεωρίες, που όχι µόνο εξηγούν ικανοποιητικά τα ήδη υπάρχοντα στοιχεία αλλά και υποθέσεις που κάνουµε για άγνωστα µέχρι τώρα φαινόµενα τα οποία ανακαλύπτονται µετά τη διατύπωση της θεωρίας. Όλα αυτά είναι πολύ γοητευτικά. Όσο πιο συχνά επαναλαµβάνεται µε επιτυχία αυτό το «παιχνίδι» µεταξύ θεωρίας και πειράµατος, τόσο µεγαλύτερη εµπιστοσύνη αποκτούµε στους κανόνες του παιχνιδιού. Οι κανόνες του παιχνιδιού είναι εδώ οι βασικοί φυσικοί νόµοι. Από τότε που ξεκινήσαµε το «παιχνίδι», κανένα από τα στοιχειώδη δοµικά στοιχεία δεν έχουν διαψευστεί ίσα-ίσα µάλιστα, συνεχώς επεκτείνονται. Η κοσµοθεωρία δεν αλλάζει µε άλµατα εισάγουµε συνεχώς παλιά δοµικά στοιχεία και δοκιµάζουµε τα όρια της αντοχής τους. Η συνεκτικότητα (η συνοχή) της κοσµοθεωρίας των φυσικών επιστηµών βασίζεται σε δύο αλληλοϋποστηριζόµενους δυναµικούς πυλώνες, η δυναµική των οποίων είναι στενά διασυνδεδεµένη: θεωρία και πείραµα. Παρόλο που η κοσµοθεωρία της φυσικής επιστήµης είναι ιδιαιτέρως δυναµική και συνεχώς κάτι σε αυτή αλλάζει, παραµένει ε- ντούτοις σε γενικές γραµµές ίδια. Θα µπορούσαµε να το συγκρίνουµε µε έναν οργανισµό που το εξωτερικό του περίβληµα παραµένει ίδιο ενώ το εσωτερικό του εξασφαλίζει τη σταθερότητα µέσα σε µια δυναµική ισορροπία. Μόλις αυτή η δυναµική χαθεί ο οργανισµός καταρρέει. Οι φυσικοί επιστήµονες θα απονεκρωθούν αν σιγήσει η ζωντανή δυναµική τους, δηλαδή ο συνεχής κριτικός διάλογος µεταξύ πειράµατος/παρατήρησης και θεωρίας. Αν πιστέψουµε ότι βρήκαµε την αλήθεια τότε η κοσµοθεωρία µας θα «παγώσει» και θα γίνει θρύψαλα. Είναι γεγονός ότι αυτή τη στιγµή ο συγκεκριµένος διάλογος είναι ακόµα εκκωφαντικός και ζωντανός και έτσι προς το παρόν µπορούµε να αποκλείσουµε µια «αλλαγή φά-

6 8 Πρόλογος σης» στην κοσµοθεωρία µας, κάτι που είχε συµβεί στο πέρασµα από τον Πτολεµαίο στον Κοπέρνικο. Η αλλαγή στον ορισµό του πλανήτη που έγινε από τη ιεθνή Αστρονο- µική Ένωση εξέπληξε κάποιους αστρονόµους που δεν µπορούν να κατανοήσουν γιατί δεν είναι πλέον σωστό να θεωρείται ο Πλούτωνας πλανήτης. Φυσικά, ο Πλούτωνας συνεχίζει να κινείται γύρω από τη Γη σε απόσταση που µπορούµε να µετρήσουµε αλλά σήµερα δεν αντιλαµβανόµαστε πλέον το πλανητικό σύστηµα όπως την εποχή του Γαλιλαίου, δηλαδή ως ουράνια σώµατα που µπορούµε να τα δούµε µέσω ενός τηλεσκοπίου ή µιας διαστηµοσυσκευής και να περιγράψουµε την τροχιά τους µε τους νόµους του Νεύτωνα, αλλά στα πλαίσια της κοσµολογικής εξέλιξης έχουµε µια διαφορετική οπτική για τα άστρα και τους πλανήτες. Από τη δηµιουργία του πριν από περίπου 15 δισεκατοµµύρια χρόνια µέχρι και σήµερα το σύµπαν διαστέλλεται. Η Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) είναι το ίδιο το διαστελλόµενο σύµπαν. Από τότε ο χώρος και ο χρόνος κινούνται µαζί. Λόγω της διαστολής υπάρχει στο σύµπαν ένα τόξο του χρόνου που δεν έχει επιστροφή: το σύµπαν µας είναι µη αναστρέψιµο, τίποτα δεν θα επαναληφθεί. Κάθε µέρα το σύµπαν γίνεται όλο και µεγαλύτερο, όλο και πιο ψυχρό. Τα τηλεσκόπια και οι δορυφόροι µάς δείχνουν κάθε µέρα νέες φάσεις της εξέλιξης. Όπως έχει ήδη επισηµανθεί, µια µατιά στο βαθύτερο διάστηµα είναι µια µατιά στο βαθύτερο παρελθόν. ιαπιστώνουµε ότι παλιότερα οι γαλαξίες βρίσκονταν πιο κοντά ο ένας στον άλλον και ότι ήταν πολύ πιο δραστήριοι. Μπορούµε να µετρήσουµε τη θερµοκρασία ολόκληρου του σύµπαντος σε όλο και παλιότερες εποχές και ανακαλύπτουµε ότι τότε το σύµπαν ήταν πιο θερµό. Βλέπουµε ακόµα και το µεγάλο κοσµικό φωτεινό πέτασµα που δεν µας επιτρέπει να ανακαλύψουµε τι έγινε λίγο µετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τόσο πυκνό είναι το φωτεινό σύννεφο, τόσο πυκνά διασκορπισµένα είναι τα φωτόνια. Αυτή η κοσµική ακτινοβολία είναι η απόδειξη για την αρχή του σύµπαντος διότι είναι τα αποµεινάρια της Μεγάλης Έκρηξης, τα ψυχρά υπολείµµατα που έχουν θερµοκρασία 271 βαθµούς Κελσίου υπό το µηδέν.

7 Πρόλογος 9 Πού βρίσκεται ο άνθρωπος µέσα σε αυτόν τον πολύ κρύο, πολύ ηλικιω- µένο και σχεδόν κενό κόσµο; Τι πραγµατικά σηµαίνουν οι γνώσεις της σύγχρονης αστρονοµίας; Η απάντηση είναι απλή: Το σύµπαν έχει κάνει πραγµατικά πάρα πολύ δουλειά µε εµάς και η Γη είναι ένα πολύ ιδιαίτερο σηµείο στο σύµπαν. Γιατί; Όλα τα έµβια όντα της Γης αποτελούνται κατά 92% από αστρόσκονη. Αποτελούµαστε από τα αποµεινάρια των εκρήξεων των άστρων. Αν τα άστρα διατηρούσαν τα γενεσιουργά στοιχεία τους, το διάστηµα θα ήταν πολύ βαρετό, θα αποτελούνταν όπως στην αρχή από υδρογόνο και ήλιο. Η σύγχρονη αστρονοµία όµως ανακάλυψε ότι, µέσα από τροµακτικές εκρήξεις, τα µεγάλα άστρα επιστρέφουν στο σύµπαν τα βαριά στοιχεία που έχουν στο εσωτερικό τους. Τα ωστικά κύµατα από τις εκρήξεις των άστρων συµπιέζουν τα νέφη αερίων τα οποία εµπλουτίζονται µε φρέσκα βαριά στοιχεία. Τα νέφη καταρρέουν λόγω της βαρύτητάς τους, δηµιουργούνται νέα άστρα, κάποια πεθαίνουν πάλι µε εκρήξεις και ο κύκλος της ύλης αρχίζει πάλι από την αρχή. Αυτή η δυναµική κυκλική διαδικασία κυριαρχεί σήµερα στην κοσµοθεωρία της αστρονοµίας. Αυτό δεν ισχύει µόνο για τον κύκλο της ύλης που µας έκανε παιδιά του γαλαξία, αλλά και για τους ίδιους τους γαλαξίες. Γαλαξίες καταπίνουν άλλους γαλαξίες και κατά τη διαδικασία έ- χουµε εκρήξεις δηµιουργίας άστρων. Στη συνέχεια οι γαλαξίες κυνηγούν τα βαριά στοιχεία τους ακόµα και στο διαγαλαξιακό χώρο. Το αρχικά θερµό υλικό παγώνει, «πέφτει» ξανά σε κάποιο γαλαξία και τον εµπλουτίζει µε βαριά στοιχεία. Αυτός ο χορός της ύλης κρατούσε ήδη µερικά δισεκατοµµύρια χρόνια πριν υπάρξουν στο γαλαξία µας αρκετά βαριά στοιχεία ικανά να δη- µιουργήσουν άστρα µε πλανήτες. Σε παλιότερες εποχές αυτό ήταν αδύνατο διότι υπήρχαν πολύ λίγα βαριά στοιχεία. Σήµερα ανακαλύπτουµε πλανητικά συστήµατα γύρω από άστρα, αλλά µόνο γύρω από εκείνα που έχουν πάρα πολλά βαριά στοιχεία. Αυτά τα εξωηλιακά πλανητικά συστήµατα είναι εντελώς διαφορετικά σε σχέση µε το ηλιακό µας σύστηµα. Οι τροχιές τους είναι πολύ ακανόνιστες, οι πλανήτες είναι πολύ µεγάλοι (όπως ο ίας ο οποίος έχει 320 φορές τη µάζα της Γης) και βρίσκονται πολύ κοντά στο µητρικό τους άστρο. Ακόµα δεν γνωρίζουµε µε ακρίβεια

8 10 Πρόλογος πώς δηµιουργήθηκαν τέτοιου είδους συστήµατα, γνωρίζουµε όµως κάτι πολύ καλά: Η διάταξη του ηλιακού συστήµατος (µε τον ία σε µεγάλη απόσταση από τον ήλιο) δεν είναι απαραίτητα η κανονική. Η ανακάλυψη άλλων πλανητικών συστηµάτων είναι ένα από τα εντυπωσιακότερα επιτεύγµατα της σύγχρονης αστρονοµίας. Αν υπάρχουν κι άλλα πλανητικά συστήµατα τότε ίσως να υπάρχουν και άλλοι πλανήτες µε ζωή. Στην τρίτη χιλιετία, κεντρικό σηµείο της αστρονοµίας είναι η αναζήτηση ύπαρξης ζωής στο σύµπαν. εν αναζητούµε Α.Τ.Ι.Α. ή εξωγήινους αλλά βιοχηµικές ενδείξεις ανάπτυξης της ζωής γύρω από ένα άστρο που µοιάζει µε τον Ήλιο. Παλιότερα αυτό ήταν θέµα της επιστηµονικής φαντασίας, σή- µερα είναι δικό µας. Αν το ηλιακό σύστηµα µε τους εξωτερικούς πλανήτες του δεν αποτελεί τυπική περίπτωση σε σχέση µε τον τρόπο που περιγράφουµε τα µακρινά πλανητικά συστήµατα, τότε διατυπώνεται ξανά το εξής ερώτηµα: Τι είναι αυτό που προσδιορίζει έναν πλανήτη και τον ξεχωρίζει από τα αµέτρητα αντικείµενα και σώµατα στο ηλιακό σύστηµα; Η ιεθνής Αστρονοµική Ένωση άλλαξε τον ορισµό του πλανήτη και έτσι ο Πλούτωνας, βάσει του νέου ορισµού, χάνει την πλανητική του υπόσταση. Με αυτή την απόφαση δεν συµφωνούν όλοι οι αστρονόµοι και κάποιοι επιµένουν στον παλιό, ιστορικό ορισµό. Στο βιβλίο µας αποδεχό- µαστε ως βάση το νέο ορισµό για τους πλανήτες της ιεθνούς Αστρονο- µικής Ένωσης και σε καµία περίπτωση δεν θα επεκτείνουµε τον παραδοσιακό αριθµό των εννέα πλανητών σε νέους πλανήτες που βάσει του καινούργιου ορισµού δεν ανήκουν σε αυτή την κατηγορία. Τι συµβαίνει µε τον Πλούτωνα; Μπορούµε να κοιτάξουµε µε µεγάλη εµπιστοσύνη τη σηµερινή εικόνα του ηλιακού συστήµατος; Η µεγαλύτερη γνώση της σύγχρονης αστρονοµίας είναι ότι όλοι οι γήινοι φυσικοί νόµοι ισχύουν παντού στο σύµπαν. Οι θεωρίες που αναπτύχθηκαν στη Γη για να εξηγήσουν γήινα πειράµατα επιβεβαιώνονται µε µεγαλοπρεπή τρόπο στο διάστηµα. Έτσι λοιπόν, οι φυσικοί νόµοι που επινοήσαµε και αποδείξαµε πειραµατικά θα εξακολουθήσουν να ισχύουν για τον Πλούτωνα, είτε τον λέµε πλανήτη είτε όχι. Και φυσικά το ίδιο θα ισχύει για τον Ερµή, την Αφροδίτη, τη Γη, τον Άρη, τον ία, τον Κρόνο, τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα. Χάραλντ Λες [Harald Lesch]

9 Περιεχόµενα Πρόλογος... 5 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Σύνοψη και στόχος Οδηγίες για χρήση στο σχολείο και στο µάθηµα Πλανήτες, τα περιπλανώµενα αστέρια στον ουρανό Τι είναι πλανήτης Ένας ορισµός Κεφάλαιο 2: Το ηλιακό σύστηµα σήµερα Μια µικρή επισκόπηση Ερµής Αφροδίτη Γη και Σελήνη Άρης ίας Κρόνος Ουρανός Ποσειδώνας Ο νάνος πλανήτης Πλούτωνας, ο δορυφόρος του Χάροντας και η ζώνη Κάιπερ Έρις, το µέχρι σήµερα µεγαλύτερο γνωστό σώµα της ζώνης Κάιπερ Σύνοψη... 45

10 12 Περιεχόµενα Κεφάλαιο 3: Ο δύσκολος δρόµος από το σωµατίδιο σκόνης στον πλανήτη: Μηχανισµοί συσσωµάτωσης Από το σωµατίδιο σκόνης στα πλανητοειδή Μορφοκλασµατικές δοµές Το κλειδί για την κατανόηση της αύξουσας συσσωµάτωσης της σκόνης Μοντέλα για τη συσσωµάτωση της σκόνης Σύνοψη Από τα πλανητοειδή στους πλανήτες Προσοµοιώσεις Σύνοψη Κεφάλαιο 4: Μηχανισµοί συγκέντρωσης Εισαγωγή Πότε και γιατί κινούνται τα σωµατίδια σκόνης διαφορετικά από τα αέρια Συγκέντρωση σκόνης λόγω απόθεσης Συγκέντρωση σκόνης σε στρόβιλο Συγκέντρωση σκόνης κατά µήκος των σπειροειδών βραχιόνων Παρατηρήσεις και πειράµατα Σύνοψη Κεφάλαιο 5: Η δηµιουργία των δίσκων συσσώρευσης Στο διάστηµα δεν είναι όλα στρογγυλά! Το µυστικό της µεταφοράς στροφορµής ή η µαγεία του ιξώδους Μεταφορά στροφορµής και ακτινική µεταφορά ύλης Τρεις πιθανές αιτίες για το ιξώδες σε ένα δίσκο συσσώρευσης Μοριακό ιξώδες... 88

11 Περιεχόµενα Ιξώδες µέσω τυρβώδους ροής Ιξώδες µέσω µαγνητικών πεδίων Σύνοψη Κεφάλαιο 6: Η δηµιουργία των µεγάλων αέριων πλανητών Η αναλογία µάζας σκόνης και µάζας αερίου Η γραµµή χιονιού Μια δεύτερη ζώνη δηµιουργίας πλανητών ηµιουργία των πλανητών σε δύο φάσεις Βασικές αρχές για τις προσοµοιώσεις και τα αριθµητικά πειράµατα Σύνοψη Κεφάλαιο 7: Η δηµιουργία των φεγγαριών Οι δύο πιθανοί µηχανισµοί Τα τέσσερα µεγάλα φεγγάρια του ία Τα φεγγάρια του Άρη Μια δύσκολη περίπτωση: Η δηµιουργία του φεγγαριού της Γης Απόσχιση της Σελήνης Το µοντέλο σύλληψης εκτίναξης Σύνοψη Γλωσσάρι Στοιχεία εικόνων Επιστήµονες

12

13 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Σύνοψη και στόχος Τρία θεµελιώδη ερωτήµατα της αστρονοµίας είναι: Πώς δηµιουργήθηκε ο κόσµος το σύµπαν µέσα στο οποίο ζούµε; Πώς δηµιουργήθηκε η ζωή; Υπάρχει εξωγήινη (νοήµων) ζωή; Ένα ουσιαστικό βήµα για να απαντήσουµε στο ερώτηµα για την αρχή και τη µοναδικότητα της ζωής είναι η αναζήτηση περιοχών του σύ- µπαντος που σύµφωνα µε τις σηµερινές µας γνώσεις φαίνονται κατάλληλες για τη δηµιουργία ζωής. Ο µοναδικός πλανήτης στο ηλιακό µας σύστηµα για τον οποίο είµαστε σίγουροι ότι έχει ζωή είναι η Γη. Επίσης, η Γη είναι ο µοναδικός πλανήτης του ηλιακού συστήµατος που έχει στην επιφάνειά του νερό σε υγρή µορφή. Η διαχρονικά συνεχής παρουσία νερού σε υγρή µορφή φαίνεται ότι είναι σηµαντική, αν όχι η πρωταρχική, προϋπόθεση για τη δηµιουργία της ζωής και των σύνθετων ζωντανών οργανισµών. Το 1995 είχαµε την πρώτη απόδειξη ύπαρξης ενός εξωηλιακού πλανήτη και από τότε έχουν ανακαλυφθεί 134 εξωηλιακοί πλανήτες. Αν και το µόνο που γνωρίζουµε για αυτούς τους πλανήτες είναι η τροχιά τους και µια εκτίµηση για τη µάζα τους, γνωρίζουµε ωστόσο και ότι περίπου 10% των άστρων σαν τον Ήλιο συνοδεύονται από πλανήτες.

14 16 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Άρα η δηµιουργία πλανητικών συστηµάτων, τόσο στο δικό µας γαλαξία, όσο και σε πολλούς άλλους είναι αρκετά πιθανή. Έχοντας ως παράδειγµα το δικό µας ηλιακό σύστηµα, είµαστε σε θέση να προσδιορίσουµε τις προϋποθέσεις κάτω από τις οποίες µπορούν να δηµιουργηθούν οι πλανήτες και τις φυσικές διαδικασίες που οδηγούν σε αυτές. Οι αστροφυσικοί έχουν περιγράψει πώς δηµιουργείται ένας δίσκος συσσώρευσης µέσω της αλληλεπίδρασης των φυγόκεντρων δυνάµεων και της βαρύτητας και τι συµβαίνει µε τη διαστρική σκόνη που ρέει σε αυτόν το δίσκο. Πώς από τα σωµατίδια σκόνης, που το µέγεθός τους δεν είναι ούτε χιλιοστό του χιλιοστού, δηµιουργούνται αστεροειδείς, πλανητοειδείς και τελικά ακόµη και πλανήτες. Το µεγαλύτερο ποσοστό στερεής ύλης σε ένα δίσκο συσσώρευσης αποτελείται από νερό σε µορφή πάγου. Παγωµένο διατηρείται όµως το νερό µόνο σε συγκεκριµένη περιοχή του δίσκου. Αυτό παίζει πρωταρχικό ρόλο για τον τύπο του πλανήτη που θα δηµιουργηθεί: πετρώδης πλανήτης, παγωµένος πλανήτης, ή αέριος πλανήτης (γίγαντας αερίων). Η περιεκτικότητα σε νερό αποτελεί κρίσιµο στοιχείο ακόµα και για το χρονικό διάστηµα που χρειάζεται για να δηµιουργηθεί ένας πλανήτης. 1.2 Οδηγίες για χρήση στο σχολείο και στο µάθηµα Το βιβλίο είναι γραµµένο µε τρόπο ώστε να µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε σειρές µαθηµάτων και σε εργασίες µε διαφορές στη διάρκεια και στην έκταση: Για το δηµοτικό και το γυµνάσιο είναι κατάλληλο το Κεφάλαιο 1. Προσφέρει µια γενική εικόνα των σωµάτων του ηλιακού µας συστήµατος µε πολλές εικόνες πλανητών, φεγγαριών, µικρών πλανητών και αστεροειδών. Το υλικό είναι διαµορφωµένο έτσι ώστε να προβάλλονται κυρίως εκείνα τα χαρακτηριστικά των

15 1.3 Πλανήτες, τα περιπλανώµενα αστέρια στον ουρανό 17 σωµάτων που είναι σηµαντικά για την ιστορία της δηµιουργίας του ηλιακού συστήµατος. Στο κεφάλαιο αυτό ωστόσο δεν περιγράφουµε τη δηµιουργία του ηλιακού συστήµατος. Για το γυµνάσιο και το λύκειο είναι κατάλληλα τα Κεφάλαια 1 έως 3. Εδώ περιγράφουµε επιπλέον και λεπτοµερώς τους κεντρικούς µηχανισµούς της δηµιουργίας των πλανητών, τη συσσωµάτωση της διαστρικής σκόνης και τον πολύ σηµαντικό παράγοντα για τη συσσωµάτωση που είναι η τοπική συσσώρευση σκόνης. Για το λύκειο και για τους µαθητές που επιλέγουν τη θετική κατεύθυνση για τις εισαγωγικές εξετάσεις µπορείτε να επιλέξετε τα Κεφάλαια 4 έως 6. Εδώ ασχολούµαστε κυρίως µε φυσικά και χη- µικά φαινόµενα που παίζουν σηµαντικό ρόλο στη δηµιουργία των πλανητών: Φυγόκεντρες δυνάµεις, στροφορµή και διατήρηση της ενέργειας Ισορροπία ενέργειας και µετατροπή ενέργειας Μορφές ενέργειας: θερµική ενέργεια, δυναµική ενέργεια, κινητική ενέργεια και ηλεκτροµαγνητική ενέργεια Μεταφορά ενέργειας µέσω ακτινοβολίας Αλλαγές φάσης: θερµοκρασίες υγροποίησης και εξαέρωσης υνάµεις: βαρύτητα, πίεση, µαγνητικές δυνάµεις, δυνάµεις φαν ντερ Βαλς [van der Waals] Ιξώδες, συνεκτικότητα και πρόσφυση 1.3 Πλανήτες, τα περιπλανώµενα αστέρια στον ουρανό Αλήθεια, πώς αντιληφθήκαµε την ύπαρξη των άλλων πλανητών στο ηλιακό µας σύστηµα;

16 18 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Όποιοι έχουν δει την Αφροδίτη και τον ία στο νυχτερινό ουρανό σίγουρα έχουν εντυπωσιαστεί. Αυτό είναι λογικό, καθώς η Αφροδίτη και ο ίας είναι φωτεινότερα από τα υπόλοιπα αστέρια. Χρειάστηκε ωστόσο να κοιτάξουµε κάπως πιο προσεχτικά για να παρατηρήσουµε ότι αυτά τα δύο σώµατα κινούνται ανάµεσα στα ορατά αστέρια. Η ιστορία της αστρονοµίας και της αστρολογίας, και συνάµα η ιστορία της ανακάλυψης των πλανητών, ξεκινάει στην αρχαία Μεσοποτα- µία (Σουµερία, Βαβυλωνία, Ακκαδία) όπου επικρατούσαν ακραίες φυσικές συνθήκες. Πότε ο Τίγρης και ο Ευφράτης ξεχείλιζαν και πληµµύριζαν τα χωράφια, πότε έπεφτε ξηρασία και το χειµώνα έκανε φοβερό κρύο. Λόγω της γεωγραφικής της θέσης υπήρχε και υπάρχει στην Αίγυπτο µια κυκλοφορία του αέρα που εξαρτάται από την εποχή του χρόνου, µε αποτέλεσµα, εκτός από το καλοκαίρι και το χειµώνα, να υπάρχουν επίσης περίοδοι ξηρασίας και βροχοπτώσεων. Σε αυτές τις τελευταίες οφείλεται η υπερχείλιση του Νείλου πάντα την ίδια εποχή. Οι Βαβυλώνιοι όµως δεν το έβαλαν κάτω. Φυσικά δεν µπορούσαν να επηρεάσουν οι ίδιοι τη φύση, µπορούσαν όµως να το κάνουν οι θεοί που ή- ταν οι άρχοντες των δυνάµεων της φύσης. Εκείνη την εποχή οι ιερείς της Μεσοποταµίας ανέπτυξαν και κατέγραψαν µεθόδους για την παρακολούθηση των φυσικών φαινοµένων σε σχέση µε τα καιρικά φαινόµενα και τις εποχές του χρόνου. Επειδή σε εκείνη την περιοχή µπορούσαν να βλέπουν τα αστέρια πολύ καθαρά, συµβουλεύονταν κυρίως αυτά τα φωτάκια στο νυχτερινό ουρανό. Έτσι πολύ γρήγορα παρατήρησαν πέντε συγκεκριµένα αστέρια, τα µοναδικά που άλλαζε η θέση τους στον έναστρο ουρανό. Ήταν οι πέντε πλανήτες που είναι ορατοί µε γυµνό µάτι: Ερµής, Αφροδίτη, Ά- ρης, ίας, και Κρόνος. Η ονοµασία πλανήτης προέρχεται από την αρχαία ελληνική λέξη «πλάνης», δηλαδή αυτός που µετακινείται διαρκώς, ο περιπλανώµενος. Η παλιότερη µαρτυρία που έχουµε για κάποιον «οιωνό από τους πλανήτες» προέρχεται από το έτος 2300 π.χ. Οιωνός είναι ένα σηµάδι,

17 1.3 Πλανήτες, τα περιπλανώµενα αστέρια στον ουρανό 19 όχι απαραίτητα αρνητικό, γι αυτά που πρόκειται να συµβούν στο µέλλον. Οι πλανήτες πήραν τη µορφή θεών. Η λαµπερή Αφροδίτη πήρε τη µορφή της όµορφης, καρποφόρας Ιστάρ που όµως µπορούσε να προκαλέσει και πολέµους. Ο βιαστικός Ερµής έγινε ο πονηρός και κακός Ναµπού. Ο κόκκινος Άρης πήρε τη µορφή του θεού του πολέµου Νεργκάλ. Ο ήρεµος ίας τη µορφή του ανώτερου θεού Μαρντούκ και ο ωχρός Κρόνος έγινε Νινίµπ, ο θεός της θύελλας. Εικόνα 1.1 Τι έκαναν όµως οι πρόγονοι των γερµανικών φύλων όταν γίνονταν όλα αυτά; Πάντως δεν κοιµόντουσαν τυλιγµένοι µέσα στις γούνες τους, όπως µας αποδεικνύει περίτρανα το σύµπλεγµα του Στόουνχετζ, ηλικίας 5000 ετών, που βρίσκεται στη νότια Αγγλία. Εκεί εξασκούσαν µε θέρµη την αστρονοµία σε συνδυασµό βέβαια µε το µυστικισµό. εν γνωρίζουµε όµως αν τα φύλα αυτά είχαν αντιληφθεί την ύπαρξη των πλανητών. Στη φωτογραφία φαίνεται ο νυχτερινός ουρανός της 4ης Μαΐου Μπορούµε να δούµε µε γυµνό µάτι και τους πέντε πλανήτες, τον ία (επάνω αριστερά), το τρίγωνο Κρόνου (αριστερά), Άρη (επάνω) και Αφροδίτης (δεξιά) καθώς και τον Ερµή (κάτω δεξιά).

18 20 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Εκτός όµως από τους πέντε πλανήτες, υπάρχουν δύο ακόµα σώµατα που κινούνται στον ουράνιο θόλο. Ο Ήλιος (για τους Βαβυλώνιους η θηλυκή «Σαµάς») και η Σελήνη (ο αρσενικός «Σιν»). Αυτά τα εφτά σώµατα που περιπλανώνται στον ουράνιο θόλο αποτελούν τη βάση για την εβδοµάδα των εφτά ηµερών, καθώς κάθε ηµέρα της εβδοµάδας είναι αφιερωµένη σε ένα από αυτά. Η Κυριακή (στα γερµανικά Sonntag) είναι αφιερωµένη στον Ήλιο (Sonne) και η ευ- Εικόνα 1.2 Ο ουράνιος δίσκος της Νέµπρα (Σαξονία-Άνχαλτ) που ανακαλύφθηκε το Είναι περίπου 3600 ετών και µία από τις παλαιότερες µαρτυρίες αστρονοµικής δραστηριότητας κατά την εποχή του Χαλκού στην Κεντρική Ευρώπη. Στο δίσκο δεν υπάρχει κάποια ένδειξη πλανητών.

19 1.4 Τι είναι πλανήτης Ένας ορισµός 21 τέρα (Montag) στη Σελήνη (Mond). Το Σάββατο (στα αγγλικά Saturday) στον Κρόνο (Saturn). Μπορούµε να βρούµε ανάλογες ερµηνείες και για τις υπόλοιπες ηµέρες, π.χ., αν στραφούµε στην ισπανική γλώσσα. Έτσι, η Τρίτη (Martes) είναι αφιερωµένη στον Άρη (Marte), η Τετάρτη (Miercoles) στον Ερµή (Mercurio), η Πέµπτη (Jueves) στον ία (Jupiter) και η Παρασκευή (Viernes) στην Αφροδίτη (Venus). 1.4 Τι είναι πλανήτης Ένας ορισµός Ένας πλανήτης είναι πάντα συνδεδεµένος µε κάποιο άστρο ή κάποιο σύστηµα άστρων (π.χ., ένα σύστηµα διπλού άστρου). Στο εσωτερικό ενός πλανήτη δεν εκτελούνται διαδικασίες πυρηνικής σύντηξης. Αυτός ο περιορισµός καθορίζει ένα αυστηρό ανώτερο όριο ίσο περίπου µε 13 φορές τη µάζα του ία. Σε σώµατα µε µεγαλύτερη µάζα έχουµε σύντηξη δευτερίου. Τα σώµατα αυτά ονοµάζονται καφέ νάνοι. Το κατώτερο όριο µάζας καθορίζεται από την πυκνότητα του σώµατος. Η βαρύτητα θα πρέπει να είναι τόσο µεγάλη ώστε να υπερνικά τις χηµικές δυνάµεις που καθορίζουν τη σταθερότητα του υλικού που διαµορφώνει το σώµα. Αυτό σηµαίνει ότι το υλικό ενός πλανήτη πρέπει να βρίσκεται σε υδροστατική ισορροπία. Για να το πούµε πιο α- πλά: O πλανήτης πρέπει να είναι στρογγυλός. Ένας πλανήτης θα πρέπει να ξεχωρίζει σε µάζα και σε ακτίνα σε σχέση µε τα υπόλοιπα σώµατα που δεν είναι δορυφόροι του αλλά βρίσκονται στην περιοχή της τροχιάς του. Τα σώµατα τα οποία δεν εκπληρώνουν αυτή την προϋπόθεση ονοµάζονται ανάλογα µε το µέγεθός τους αστεροειδείς, πλανητοειδείς, ή νάνοι πλανήτες. Ένας πλανήτης δηµιουργείται µέσα σε ένα δίσκο συσσώρευσης. Έτσι η τροχιά ενός πλανήτη έχει µια πολύ µικρή κλίση σε σχέση µε τις τροχιές των άλλων πλανητών.

20

21 Κεφάλαιο 2 Το ηλιακό σύστηµα σήµερα Μια µικρή επισκόπηση Το ηλιακό µας σύστηµα αποτελείται από οχτώ πλανήτες, δύο ζώνες αστεροειδών και τον Ήλιο ως κεντρικό αστέρι του συστήµατος. Οι τέσσερις εσωτερικοί πλανήτες, δηλαδή ο Ερµής, η Αφροδίτη, η Γη και ο Άρης, έχουν στερεή επιφάνεια και, εκτός από τον Ερµή, περιβάλλονται από ατµόσφαιρα. Γι αυτό και ονοµάζονται γεώµορφοι ή γήινοι πλανήτες. Τον Ερµή, την Αφροδίτη και τον Άρη µπορούµε να τους δούµε από τη Γη µε γυµνό µάτι αρκεί να βρισκόµαστε στο κατάλληλο σηµείο. Οι τέσσερις εξωτερικοί πλανήτες, ίας, Κρόνος, Ουρανός και Ποσειδώνας, είναι αέριοι πλανήτες («γίγαντες αερίων») µε στερεό πυρήνα. Η αναλογία µάζας αερίου και µάζας πυρήνα µειώνεται συνεχώς ξεκινώντας από τον ία και φτάνοντας µέχρι τον Ποσειδώνα. Ενώ για τον ία δεν έχουµε ακόµα απόδειξη για την ύπαρξη στερεού πυρήνα, στον Ουρανό και στον Ποσειδώνα ο πυρήνας είναι σαφώς βαρύτερος από την ατµόσφαιρα που τον περιβάλλει. Οι τέσσερις αέριοι πλανήτες είναι πολύ µεγαλύτεροι από τους εσωτερικούς πλανήτες. Γι αυτό, παρά τη µεγάλη τους απόσταση από τον Ήλιο, µπορούµε ακόµα και µε γυµνό µάτι να ανακαλύψουµε στον ουρανό τουλάχιστον τον ία και τον Κρόνο. Ανάµεσα στους γήινους πλανήτες και τους µεγάλους αέριους πλανήτες υπάρχει µία από τις δύο ζώνες αστεροειδών του ηλιακού µας συστήµατος. Η δεύτερη περιβάλλει ολόκληρο το ηλιακό σύστηµα. Οι

22 24 Κεφάλαιο 2: Το ηλιακό σύστηµα σήµερα Μια µικρή επισκόπηση ¹ëéïò ÅñìÞò Áöñïäßôç Ãç ñçò Äßáò Εικόνα 2.1 Σύγκριση µεγέθους των πλανητών του ηλιακού µας συστήµατος σε σχέση µε τον Ήλιο και το νάνο πλανήτη Πλούτωνα. Οι τέσσερις γήινοι πλανήτες, καθώς και ο Πλούτωνας, έχουν σχεδιαστεί περίπου τρεις φορές µεγαλύτεροι σε σύγκριση µε τους τέσσερις µεγάλους αέριους πλανήτες. Αυτό έγινε για να µπορέσουµε να παρουσιάσου- µε τη διαφορά µεγέθους µεταξύ των γήινων πλανητών και του Πλούτωνα. Στην πραγµατικότητα, η διάµετρος της Γης δεν αντιστοιχεί ούτε στο ένα δέκατο της διαµέτρου του ία! Êñüíïò Ïõñáíüò Ðïóåéäþíáò Ðëïýôùíáò δύο ζώνες αστεροειδών σηµατοδοτούν περιοχές του δίσκου συσσώρευσης στις οποίες η πυκνότητα της στερεής ύλης δεν επαρκούσε για τη δηµιουργία πλανητών. Η διαδικασία εξέλιξης σταµάτησε στα µισά του δρόµου και άφησε πίσω της αστεροειδείς και νάνους πλανήτες. 2.1 Ερµής Ο Ερµής είναι ένας µικρός, γκρίζος, θερµός και αφιλόξενος έρηµος πλανήτης. Τόσο στο µέγεθος όσο και στην εξωτερική του µορφή µοιάζει µε τη Σελήνη. Ο Ερµής δεν έχει ατµόσφαιρα. Λόγω της µικρής του απόστασης, ο Ήλιος εµφανίζεται τρεις φορές µεγαλύτερος από ό,τι στη Γη και ακτινοβολεί µε αδυσώπητη θερµότητα στην α- προστάτευτη επιφάνεια του πλανήτη. Τίποτα δεν µπορεί να ζήσει ε- κεί.

23 2.1 Ερµής 25 Ερµής Μέση απόσταση από τον Ήλιο 57,9 εκατ. km Μέση ταχύτητα περιστροφής γύρω από τον Ήλιο 47 km/sec Χρόνος περιστροφής 88 ηµέρες Κλίση της τροχιάς ως προς την εκλειπτική 7 µοίρες ιάµετρος ισηµερινού km Περίοδος περιστροφής 58 ηµέρες και 16 ώρες Κλίση του άξονα 0 µοίρες Μάζα (Γη = 1) 0,055 Όγκος (Γη = 1) 0,056 Μέση πυκνότητα 5,43 g/cm 3 Θερµοκρασία επιφάνειας από 170 C µέχρι +400 C Αριθµός γνωστών φεγγαριών δεν υπάρχουν Ατµόσφαιρα κανένα ίχνος He, O κ.λπ. Εικόνα 2.2 Σύνθεση από πολλές φωτογραφικές λήψεις που έκανε το διαστηµικό σκάφος Mariner 10. Κατά τη διάρκεια ενός διαστηµικού ταξιδιού το 1974, το Mariner χαρτογράφησε περίπου το 45% της επιφάνειας του Ερµή.

24