1η φάση 2001, Λύκειο: θέματα και λύσεις

(Α) Αιτία: οι γαλαξίες δεν «τρέχουν» μέσα σε έναν σταθερό χώρο. Διαστέλλεται ο ίδιος ο χώρος, όπως απομακρύνονται οι κουκκίδες πάνω σε ένα μπαλόνι που φουσκώνει. Η διαστολή ξεκίνησε με τη Μεγάλη Έκρηξη. Από οποιονδήποτε γαλαξία, όλοι οι άλλοι φαίνονται να απομακρύνονται, άρα δεν υπάρχει κέντρο. (Γειτονικοί γαλαξίες που συγκρατούνται βαρυτικά, όπως η Τοπική Ομάδα, δεν απομακρύνονται: η Ανδρομέδα μάλιστα μας πλησιάζει.)

(Β) Η ανακάλυψη: ο V. Slipher μέτρησε από το 1912 ότι τα φάσματα των περισσότερων «σπειροειδών νεφελωμάτων» είναι μετατοπισμένα προς το ερυθρό. Ο Edwin Hubble, με το τηλεσκόπιο 2,5 m του Mount Wilson, μέτρησε αποστάσεις με κηφείδες μεταβλητούς, έδειξε (1924) ότι πρόκειται για άλλους γαλαξίες και το 1929, με τον M. Humason, βρήκε ότι η ταχύτητα απομάκρυνσης αυξάνεται ανάλογα με την απόσταση.

(Γ) Νόμος του Hubble: $v=H_{0}d$. Η σταθερά του Hubble $H_0$ είναι ο σημερινός ρυθμός διαστολής. Ο ίδιος ο Hubble την υπολόγισε περίπου 500 km/s/Mpc, πολύ μεγάλη λόγω λαθών στις αποστάσεις. Σήμερα μετριέται περίπου 67–73 km/s/Mpc, και οι δύο κύριες μέθοδοι διαφωνούν ελαφρά (η «ένταση του Hubble»). Το αντίστροφό της, $1/H_0\approx 14$ δισεκατομμύρια χρόνια, δίνει την τάξη μεγέθους της ηλικίας του Σύμπαντος.

(Α) Προγράμματα: Mariner 4 (1965, πρώτες κοντινές φωτογραφίες), Mariner 9 (1971, πρώτος τεχνητός δορυφόρος άλλου πλανήτη), Viking 1 και 2 (1976, πρώτες επιτυχημένες προσεδαφίσεις με πειράματα για ζωή), Mars Pathfinder με το όχημα Sojourner (1997), Mars Global Surveyor (1997–2006), Mars Odyssey (2001). Αργότερα: Mars Express (ESA, 2003), Spirit και Opportunity (2004), Curiosity (2012), Perseverance με το ελικοπτεράκι Ingenuity (2021), καθώς και αποστολές της Κίνας, της Ινδίας και των Ηνωμένων Αραβικών Εμιράτων.

(Β) Παράδειγμα, Viking: δύο σκάφη, το καθένα με δορυφόρο και βολιστή. Οι βολιστές προσεδαφίστηκαν το 1976 με θερμική ασπίδα, αλεξίπτωτο και ρετροπυραύλους. Έστειλαν τις πρώτες έγχρωμες εικόνες από την επιφάνεια και μετεωρολογικά δεδομένα για χρόνια. Ανέλυσαν το έδαφος (πλούσιο σε σίδηρο, γι’ αυτό κόκκινο) και έκαναν τρία βιολογικά πειράματα. Τα αποτελέσματα ερμηνεύθηκαν τελικά ως χημικές αντιδράσεις του εδάφους και όχι ως ζωή. Οι δορυφόροι χαρτογράφησαν τον πλανήτη και βρήκαν ίχνη αρχαίων ποταμών: ο Άρης είχε κάποτε νερό.

(Γ) Μέλλον και οφέλη: επιστροφή δειγμάτων στη Γη (το Perseverance ήδη τα συλλέγει), αναζήτηση ζωής κάτω από την επιφάνεια και, σε βάθος χρόνου, επανδρωμένες αποστολές. Οφέλη: να μάθουμε αν υπήρξε ζωή εκτός Γης, να κατανοήσουμε πώς ένας πλανήτης με νερό έγινε έρημος (μάθημα και για το κλίμα της Γης), και να βρούμε πόρους (πάγο νερού) για μελλοντικούς εξερευνητές.

(Α) Γενικά: οι αστεροειδείς είναι μικρά βραχώδη ή μεταλλικά σώματα, απομεινάρια του σχηματισμού του ηλιακού συστήματος. Οι περισσότεροι βρίσκονται στην κύρια ζώνη, ανάμεσα σε Άρη και Δία (2,1–3,3 AU), όπου η βαρύτητα του Δία εμπόδισε να σχηματιστεί πλανήτης. Ο πρώτος, η Δήμητρα (Ceres), ανακαλύφθηκε το 1801 από τον Piazzi και σήμερα θεωρείται νάνος πλανήτης. Μεγέθη από μέτρα έως περίπου 950 km. Έχουμε εκατοντάδες χιλιάδες γνωστούς αστεροειδείς, σε κατηγορίες: ανθρακούχοι (C), πυριτικοί (S), μεταλλικοί (M). Οι «γεωπλησιάζοντες» διασταυρώνουν την τροχιά της Γης.

(Β) Αποστολές: το Galileo φωτογράφισε τη Γκάσπρα (1991) και την Ίντα με τον δορυφόρο της Δάκτυλο (1993). Το NEAR Shoemaker μπήκε σε τροχιά γύρω από τον Έρωτα (2000) και προσεδαφίστηκε πάνω του (Φεβρουάριος 2001). Αργότερα: Hayabusa (δείγματα από την Itokawa, 2010), Dawn (Εστία και Δήμητρα), Hayabusa2 (Ryugu) και OSIRIS-REx (δείγματα από τον Bennu, 2023), και η δοκιμή άμυνας DART, που το 2022 χτύπησε τον Δίμορφο και μείωσε την περίοδό του κατά περίπου 32 λεπτά. Όφελος: οι αστεροειδείς είναι «απολιθώματα» του αρχέγονου νεφελώματος, και ξέρουμε πια πώς να εκτρέψουμε έναν.

(Γ) Κίνδυνος και προστασία: μεγάλες προσκρούσεις (σώματα πάνω από 1 km) συμβαίνουν σπάνια, περίπου μία φορά στο εκατομμύριο χρόνια, αλλά οι συνέπειες είναι παγκόσμιες. Μικρά σώματα πέφτουν συχνότερα (Τσελιάμπινσκ, 2013, περίπου 20 m). Προστασία: συστηματική χαρτογράφηση (έχουν βρεθεί πάνω από το 90% των γεωπλησιαζόντων με διάμετρο πάνω από 1 km) και, αν χρειαστεί, εκτροπή με πρόσκρουση σκάφους, όπως το DART, ή με «βαρυτικό ρυμουλκό». Το κλειδί είναι ο έγκαιρος εντοπισμός, χρόνια πριν.

(Α) Θεωρία: η κυρίαρχη είναι η θεωρία του ηλιακού νεφελώματος (εξέλιξη της «νεφελικής υπόθεσης» των Kant, 1755, και Laplace, 1796): ο Ήλιος και οι πλανήτες σχηματίστηκαν μαζί από ένα περιστρεφόμενο νέφος αερίων και σκόνης, πριν από περίπου 4,57 δισεκατομμύρια χρόνια.

(Β) Στάδια: (1) ένα κομμάτι μοριακού νέφους, εμπλουτισμένο με βαριά στοιχεία από παλαιότερα άστρα, άρχισε να καταρρέει (ίσως από το ωστικό κύμα κοντινού υπερκαινοφανούς). (2) Λόγω περιστροφής πλατύνθηκε σε πρωτοπλανητικό δίσκο, με τον πρωτοήλιο στο κέντρο. (3) Στον δίσκο η σκόνη κόλλησε σε κόκκους, χαλίκια και πλανητοειδή μεγέθους km, που με συγκρούσεις έγιναν πρωτοπλανήτες. (4) Κοντά στον Ήλιο, όπου έμεναν στερεά μόνο τα πυριτικά και τα μέταλλα, σχηματίστηκαν οι βραχώδεις πλανήτες. Πέρα από τη «γραμμή του πάγου» υπήρχε άφθονος πάγος, σχηματίστηκαν μεγάλοι πυρήνες που τράβηξαν αέριο και έγιναν γίγαντες. (5) Ο νεαρός Ήλιος «σάρωσε» το αέριο που περίσσεψε.

(Γ) Δορυφόροι: οι κανονικοί δορυφόροι των γιγάντων σχηματίστηκαν σε μικρούς δίσκους γύρω από τους πλανήτες, σαν μικρογραφίες του ηλιακού συστήματος. Πολλοί μικροί, εξωτερικοί δορυφόροι είναι αιχμαλωτισμένοι. Η Σελήνη, σύμφωνα με την επικρατέστερη θεωρία της γιγάντιας πρόσκρουσης, σχηματίστηκε όταν ένα σώμα μεγέθους Άρη (η «Θεία») χτύπησε τη νεαρή Γη. Τα συντρίμμια σχημάτισαν δίσκο γύρω της, από τον οποίο συγκεντρώθηκε η Σελήνη. Αυτό εξηγεί τον μικρό σιδερένιο πυρήνα της και τη χημική ομοιότητα των πετρωμάτων της με της Γης.