1η φάση «Αρίσταρχος» 2006, Λύκειο: θέματα και λύσεις

(Α) Πότε και πώς: πριν από περίπου 4,57 δισεκατομμύρια χρόνια, ηλικία που μετριέται με ραδιοχρονολόγηση των αρχαιότερων μετεωριτών. Ένα κομμάτι γιγάντιου μοριακού νέφους κατέρρευσε υπό τη βαρύτητά του (ίσως από το ωστικό κύμα κοντινού υπερκαινοφανούς) και, καθώς περιστρεφόταν, πλάτυνε σε πρωτοπλανητικό δίσκο. Στο κέντρο σχηματίστηκε ο Ήλιος, και στον δίσκο οι πλανήτες, μέσα από τη συνένωση σκόνης σε πλανητοειδή και πρωτοπλανήτες, μέσα σε μερικά εκατομμύρια ως εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια.

(Β) Πρωταρχική ύλη: κατά περίπου 98% υδρογόνο και ήλιο (από τη Μεγάλη Έκρηξη) και περίπου 2% βαρύτερα στοιχεία (άνθρακας, οξυγόνο, πυρίτιο, σίδηρος κ.ά.), που είχαν φτιαχτεί σε προηγούμενες γενιές άστρων και σκορπιστεί από εκρήξεις. Τα βαριά στοιχεία ήταν με τη μορφή σκόνης (πυριτικά, μέταλλα) και πάγων (νερό, αμμωνία, μεθάνιο). Ίχνη ραδιενεργών ισοτόπων σύντομης ζωής (π.χ. αλουμίνιο-26) στους μετεωρίτες δείχνουν ότι κοντά είχε προηγηθεί έκρηξη άστρου.

(Γ) Θεωρίες: Descartes (1644): δίνες ύλης. Buffon (1745): ένας κομήτης χτύπησε τον Ήλιο και απέσπασε την ύλη των πλανητών. Kant (1755) και Laplace (1796): «νεφελική υπόθεση», όπου περιστρεφόμενο νεφέλωμα συστέλλεται και αφήνει δακτυλίους που γίνονται πλανήτες. Chamberlin και Moulton (1905): «πλανητοειδής» θεωρία. Jeans και Jeffreys (1917): παλιρροϊκή θεωρία, όπου ένα άστρο πέρασε κοντά από τον Ήλιο και τράβηξε ύλη. Οι καταστροφικές θεωρίες εγκαταλείφθηκαν (δεν εξηγούν τη στροφορμή, και τέτοιες συναντήσεις είναι πολύ σπάνιες). Σήμερα ισχύει η σύγχρονη θεωρία του ηλιακού νεφελώματος (V. Safronov κ.ά.), που επιβεβαιώνεται από τους δίσκους που βλέπουμε γύρω από νεαρά άστρα (π.χ. HL Tauri, ALMA 2014).

(Α) Χρόνος Planck: $t_P=\sqrt{\frac{\hslash G}{c^5}}\approx 5,4\times 10^{-44}$ s. Είναι η μικρότερη χρονική κλίμακα που έχει φυσικό νόημα με τις γνωστές θεωρίες. Πριν από αυτή («εποχή Planck») η βαρύτητα πρέπει να περιγραφεί κβαντικά, και δεν έχουμε ακόμα τέτοια θεωρία. Γι’ αυτό δεν μπορούμε να πούμε τι συνέβη «πριν». Πιστεύεται ότι τότε οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις ήταν ενωμένες.

(Β) Πληθωριστικό Σύμπαν: θεωρία των A. Guth (1981), A. Linde, A. Starobinsky κ.ά. Περίπου από $10^{-36}$ ως $10^{-32}$ s μετά την αρχή, το Σύμπαν διαστάλθηκε εκθετικά, κατά παράγοντα τουλάχιστον $10^{26}$. Αυτό εξηγεί γιατί είναι τόσο ομοιόμορφο (το «πρόβλημα του ορίζοντα»: περιοχές που σήμερα είναι πολύ μακριά ήταν πριν σε επαφή) και τόσο επίπεδο, ενώ οι κβαντικές διακυμάνσεις της εποχής τεντώθηκαν και έγιναν οι «σπόροι» των γαλαξιών. Οι προβλέψεις του συμφωνούν με την ακτινοβολία υποβάθρου, αλλά δεν έχει ακόμα επιβεβαιωθεί άμεσα (π.χ. με αρχέγονα βαρυτικά κύματα).

(Γ) Σχηματισμός γαλαξιών: μετά τα 380.000 χρόνια (σχηματισμός ατόμων) ακολούθησαν οι «σκοτεινοί αιώνες». Οι πυκνότερες περιοχές της σκοτεινής ύλης συγκέντρωσαν με τη βαρύτητα το αέριο. Τα πρώτα άστρα άναψαν περίπου 100–200 εκατομμύρια χρόνια μετά, και οι πρώτοι γαλαξίες τις επόμενες εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια (το τηλεσκόπιο James Webb βλέπει γαλαξίες λιγότερο από 300 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη). Οι μεγάλοι γαλαξίες χτίστηκαν ιεραρχικά, με συγχωνεύσεις μικρότερων και συνεχή εισροή αερίου, διαδικασία που συνεχίζεται ακόμα.

(Α) Φυσικές συνθήκες: κενό: καθόλου ατμόσφαιρα, άρα καθόλου ήχος. Βαρύτητα περίπου 1/6 της γήινης (1,62 m/s²). Θερμοκρασίες από περίπου +120 °C στο φως ως −170 °C στο σκοτάδι, και ακόμα χαμηλότερα σε σκιασμένους πολικούς κρατήρες. Μέρα και νύχτα περίπου 15 γήινες μέρες η καθεμία. Άμεση έκθεση σε ακτινοβολία (ηλιακή και κοσμική) και μικρομετεωρίτες. Λεπτή, αιχμηρή σκόνη (ρηγόλιθος) που κολλάει παντού. Πάγος νερού μόνο σε κρατήρες των πόλων.

(Β) Τι πρέπει να προσέξει: να βρίσκεται πάντα σε στεγανό, θερμικά ελεγχόμενο χώρο ή διαστημική στολή, με οξυγόνο. Να προστατεύεται από την ακτινοβολία (π.χ. καταφύγιο καλυμμένο με ρηγόλιθο) και να παρακολουθεί τις ηλιακές εκλάμψεις. Να μη φέρνει σκόνη στο εσωτερικό, γιατί βλάπτει τους πνεύμονες και τα μηχανήματα. Να κινείται προσεκτικά στη χαμηλή βαρύτητα (τα αντικείμενα έχουν την ίδια μάζα και ορμή). Να γυμνάζεται για να μη χάσει οστά και μύες. Να μην κοιτάζει τον Ήλιο χωρίς φίλτρο.

(Γ) Ομορφιές που δεν έχει η Γη: ο μαύρος ουρανός με αμέτρητα, σταθερά (χωρίς τρεμόπαιγμα) άστρα, ακόμα και τη μέρα, αν προφυλαχθεί από τη λάμψη. Η Γη να κρέμεται σχεδόν ακίνητη στον ουρανό, τετραπλάσια σε διάμετρο από τη Σελήνη που βλέπουμε εμείς, να γυρίζει και να περνά από φάσεις (αντίθετες από τις φάσεις της Σελήνης), και το «γήινο φως» που φωτίζει τη νύχτα. Οι εκλείψεις Ηλίου από τη Γη, με κόκκινο δαχτυλίδι από την ατμόσφαιρά μας. Τα απίστευτα αθόρυβα τοπία με τους κρατήρες, και τα άλματα στη χαμηλή βαρύτητα.

(Α) Μύθοι: για τους αστερισμούς: ο Περσέας και η Ανδρομέδα (με την Κασσιόπη, τον Κηφέα, το Κήτος και τον Πήγασο), ο Ωρίωνας και ο Σκορπιός, η Καλλιστώ και ο Αρκάς (Μεγάλη και Μικρή Άρκτος), ο Ηρακλής, οι Πλειάδες, οι Δίδυμοι Κάστορας και Πολυδεύκης, η Λύρα του Ορφέα. Για τις «πτήσεις»: ο Ίκαρος και ο Δαίδαλος, ο Φαέθων με το άρμα του Ήλιου, ο Βελλεροφόντης με τον Πήγασο.

(Β) Περσέας και Ανδρομέδα: η βασίλισσα Κασσιόπη καυχήθηκε ότι η κόρη της, η Ανδρομέδα, είναι ομορφότερη από τις Νηρηίδες. Ο Ποσειδώνας έστειλε το θαλάσσιο τέρας Κήτος, και ο βασιλιάς Κηφέας, για να σώσει τη χώρα, έδεσε την Ανδρομέδα σε βράχο. Ο Περσέας, επιστρέφοντας με το κεφάλι της Μέδουσας, την έσωσε, πέτρωσε το τέρας και την παντρεύτηκε. Όλοι έγιναν αστερισμοί, κοντά ο ένας στον άλλον στον φθινοπωρινό ουρανό. Η Κασσιόπη, για τιμωρία, γυρίζει ανάποδα γύρω από τον πόλο.

Ωρίωνας και Σκορπιός: ο υπερφίαλος κυνηγός Ωρίωνας καυχήθηκε ότι θα σκότωνε κάθε ζώο της γης. Η Γαία (ή η Άρτεμη) έστειλε έναν σκορπιό που τον τσίμπησε θανάσιμα. Οι θεοί τους έβαλαν στον ουρανό σε αντίθετες θέσεις: όταν ο Σκορπιός ανατέλλει, ο Ωρίωνας δύει, και πράγματι δεν φαίνονται ποτέ μαζί στον ουρανό, γιατί απέχουν περίπου 180° στην εκλειπτική.

(Γ) Δαίδαλος και Ίκαρος: ο Δαίδαλος, κλεισμένος με τον γιο του από τον Μίνωα στην Κρήτη, κατασκεύασε φτερά από πούπουλα και κερί για να δραπετεύσουν πετώντας. Συμβούλεψε τον Ίκαρο να μην πετάξει ούτε πολύ χαμηλά (η υγρασία της θάλασσας θα βάραινε τα φτερά) ούτε πολύ ψηλά. Ο Ίκαρος, μεθυσμένος από την πτήση, ανέβηκε κοντά στον Ήλιο, το κερί έλιωσε και έπεσε στη θάλασσα (το Ικάριο πέλαγος). Ο μύθος εκφράζει το αρχαίο όνειρο της πτήσης, αλλά και την προειδοποίηση για την υπερβολική τόλμη. (Στην πραγματικότητα, ψηλότερα κάνει κρύο: η ατμόσφαιρα δεν θερμαίνεται όσο πλησιάζουμε τον Ήλιο.)