1η φάση «Αρίσταρχος» 2003, Λύκειο: θέματα και λύσεις

(Α) Είδη νεφελωμάτων: νεφελώματα εκπομπής (περιοχές HII): νέφη υδρογόνου που ιονίζονται από θερμά, νεαρά άστρα και λάμπουν κόκκινα (γραμμή Hα). Ανακλαστικά: σκόνη που ανακλά το φως κοντινών άστρων και φαίνεται γαλάζια. Σκοτεινά: πυκνά νέφη σκόνης που κρύβουν το φως πίσω τους. Πλανητικά νεφελώματα: φωτεινά κελύφη αερίων γύρω από άστρα που πεθαίνουν (το όνομα είναι ιστορικό, δεν έχουν σχέση με πλανήτες). Υπολείμματα υπερκαινοφανών: διαστελλόμενα νήματα αερίων από εκρήξεις άστρων.

(Β) Φάσεις της αστρικής εξέλιξης: στη γέννηση των άστρων, τα μοριακά και σκοτεινά νέφη είναι τα «μαιευτήρια», και οι περιοχές HII δείχνουν πού μόλις γεννήθηκαν μαζικά άστρα. Στον θάνατο, τα άστρα σαν τον Ήλιο αφήνουν πλανητικό νεφέλωμα (και λευκό νάνο) και τα μαζικά υπόλειμμα υπερκαινοφανούς (και αστέρα νετρονίων ή μαύρη τρύπα). Έτσι η ύλη, εμπλουτισμένη με βαριά στοιχεία, επιστρέφει στον χώρο για νέες γενιές άστρων.

(Γ) Παραδείγματα: το Νεφέλωμα του Ωρίωνα (M42), ορατό με γυμνό μάτι στο «σπαθί» του Ωρίωνα, περίπου 1.340 έτη φωτός μακριά: η κοντινότερη μεγάλη περιοχή γέννησης άστρων, με το Τραπέζιο, τα θερμά άστρα που το φωτίζουν. Το Νεφέλωμα του Καβουριού (M1) στον Ταύρο: το υπόλειμμα του υπερκαινοφανούς που κατέγραψαν Κινέζοι αστρονόμοι το 1054, με έναν πάλσαρ στο κέντρο που περιστρέφεται περίπου 30 φορές το δευτερόλεπτο. Άλλα γνωστά: το Κεφάλι του Αλόγου (σκοτεινό) και το νεφέλωμα του Δακτυλίου M57 (πλανητικό).

(Α) Θέση: ερώτηση γνώμης. Η πιο τεκμηριωμένη στάση: δεν έχουμε ακόμα κανένα στοιχείο για ζωή εκτός Γης, αλλά οι προϋποθέσεις φαίνεται να είναι κοινές. Το ερώτημα είναι επιστημονικό και ερευνάται ενεργά, δεν είναι μόνο φαντασία.

(Β) Επιχειρήματα υπέρ: υπάρχουν δισεκατομμύρια άστρα σε κάθε γαλαξία, και σήμερα ξέρουμε ότι τα περισσότερα έχουν πλανήτες (έχουν βρεθεί πάνω από 6.000). Τα συστατικά της ζωής (νερό, οργανικά μόρια) υπάρχουν σε κομήτες, μετεωρίτες και μεσοαστρικά νέφη. Η ζωή στη Γη εμφανίστηκε νωρίς και αντέχει σε ακραίες συνθήκες. Υπάρχουν ωκεανοί κάτω από τον πάγο σε Ευρώπη και Εγκέλαδο. Κατά (ή επιφυλάξεις): για να εξελιχθεί πολύπλοκη ζωή χρειάζονται πολλές «τυχερές» συνθήκες: σταθερό άστρο, νερό σε υγρή μορφή, μαγνητικό πεδίο, πολύ χρόνο. Και δεν έχουμε λάβει κανένα σήμα (το «παράδοξο του Fermi»).

(Γ) Εξίσωση Drake (1961): εκτιμά τον αριθμό $N$ των πολιτισμών του Γαλαξία με τους οποίους θα μπορούσαμε να επικοινωνήσουμε: $N=R_{\ast }\cdot f_p\cdot n_e\cdot f_l\cdot f_i\cdot f_c\cdot L$. $R_{\ast }$ είναι ο ρυθμός γέννησης άστρων, $f_p$ το κλάσμα με πλανήτες, $n_e$ οι κατοικήσιμοι πλανήτες ανά σύστημα, $f_l,f_i,f_c$ τα κλάσματα όπου εμφανίζεται ζωή, νοημοσύνη και τεχνολογία επικοινωνίας, και $L$ η διάρκεια ζωής ενός τέτοιου πολιτισμού. Συμπέρασμα: οι πρώτοι όροι μετριούνται πλέον, αλλά οι τελευταίοι είναι εντελώς άγνωστοι. Γι’ αυτό το $N$ βγαίνει από λιγότερο από 1 (είμαστε μόνοι) έως εκατομμύρια. Η εξίσωση δεν δίνει απάντηση. Οργανώνει την άγνοιά μας και δείχνει τι πρέπει να μετρήσουμε.

(Α) Χρώμα από το διάστημα: η Γη φαίνεται γαλάζια (ωκεανοί, που απορροφούν το κόκκινο, και σκέδαση στην ατμόσφαιρα), με λευκά σύννεφα, καφέ και πράσινη ξηρά. Η Σελήνη είναι γκρίζα: σκούρα βασαλτικά πετρώματα και ρηγόλιθος, ανακλά μόνο περίπου 12% του φωτός. Ο Άρης είναι κοκκινοπορτοκαλί, από τα οξείδια του σιδήρου («σκουριά») στη σκόνη του εδάφους.

(Β) Χρώμα του ουρανού τη μέρα: στη Γη γαλάζιος: τα μόρια του αέρα σκεδάζουν το μπλε φως πολύ περισσότερο από το κόκκινο (σκέδαση Rayleigh, $\propto 1/{\lambda }^4$). Στη Σελήνη μαύρος, ακόμα και με τον Ήλιο ψηλά: χωρίς ατμόσφαιρα δεν υπάρχει σκέδαση. Στον Άρη κιτρινοκαφετής («καραμελί»), από τη λεπτή σκόνη που αιωρείται στη λεπτή ατμόσφαιρα. Αντίθετα, το ηλιοβασίλεμα εκεί είναι γαλαζωπό.

(Γ) Θερμοκρασίες: Γη: μέση περίπου +15 °C, με μέτριες διαφορές μέρας – νύχτας, χάρη στην ατμόσφαιρα (φαινόμενο θερμοκηπίου) και τους ωκεανούς. Άρης: ο πιο κρύος κατά μέσο όρο, περίπου −60 °C, από περίπου +20 °C το μεσημέρι στον ισημερινό ως −125 °C στους πόλους, γιατί είναι πιο μακριά από τον Ήλιο και έχει πολύ αραιή ατμόσφαιρα. Σελήνη: τις μεγαλύτερες διαφορές, από περίπου +120 °C τη μέρα ως −170 °C τη νύχτα, γιατί δεν έχει ατμόσφαιρα να κρατά τη θερμότητα και η «μέρα» της κρατά περίπου 15 γήινες μέρες. Η Σελήνη έχει το πιο ζεστό σημείο (στο φως), η Γη τη μεγαλύτερη μέση θερμοκρασία.

(Α) Τι είναι: περιοχή του χώρου όπου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή ώστε τίποτα, ούτε το φως, δεν μπορεί να διαφύγει. Η ταχύτητα διαφυγής ξεπερνά την ταχύτητα του φωτός. Δημιουργία: όταν ένα πολύ μαζικό άστρο (με περισσότερες από περίπου 20 ηλιακές μάζες) εξαντλήσει τα καύσιμά του, ο πυρήνας του καταρρέει. Αν μείνουν περισσότερες από περίπου 3 ηλιακές μάζες, καμία πίεση δεν σταματά την κατάρρευση. Υπάρχουν και υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, εκατομμυρίων έως δισεκατομμυρίων ηλιακών μαζών, στα κέντρα των γαλαξιών.

(Β) Δομή: ο ορίζοντας γεγονότων είναι το «σύνορο χωρίς επιστροφή», με ακτίνα Schwarzschild $R_s=2GM/c^2$ (περίπου 3 km για μία ηλιακή μάζα). Στο κέντρο, σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, υπάρχει μια ανωμαλία (singularity). Γύρω της συχνά σχηματίζεται δίσκος προσαύξησης: ύλη που στροβιλίζεται, θερμαίνεται σε εκατομμύρια βαθμούς και ακτινοβολεί ακτίνες Χ πριν πέσει μέσα. Μπορεί να εκτοξεύονται και πίδακες με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός.

(Γ) Έχουν παρατηρηθεί; Ναι. Το 2003 οι ενδείξεις ήταν ήδη ισχυρές αλλά έμμεσες: διπλά συστήματα ακτίνων Χ όπως ο Κύκνος Χ-1 (1971), με αόρατο συνοδό πολύ βαρύ για αστέρα νετρονίων, και οι τροχιές άστρων γύρω από το κέντρο του Γαλαξία μας (Sgr A*, περίπου 4 εκατομμύρια ηλιακές μάζες· Νόμπελ 2020). Από τότε: το 2015 το LIGO ανίχνευσε τα βαρυτικά κύματα από τη συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών, και το Event Horizon Telescope φωτογράφισε τη «σκιά» της μαύρης τρύπας του M87 (2019) και του Sgr A* (2022).