2η φάση «Ίππαρχος» 2005, Λύκειο: θέματα και λύσεις

(Α) Ηλιακός κύκλος: η δραστηριότητα του Ήλιου (αριθμός κηλίδων, εκλάμψεις, εκτινάξεις μάζας από το στέμμα) αυξομειώνεται με περίοδο περίπου 11 ετών (Schwabe, 1843). Στην αρχή κάθε κύκλου οι κηλίδες εμφανίζονται σε μεγάλα ηλιογραφικά πλάτη και μετά πλησιάζουν τον ισημερινό («διάγραμμα πεταλούδας»). Κάθε περίπου 11 χρόνια αντιστρέφεται και η μαγνητική πολικότητα, άρα ο πλήρης μαγνητικός κύκλος είναι περίπου 22 χρόνια (Hale). Ο κύκλος οφείλεται στο ηλιακό «δυναμό»: τη διαφορική περιστροφή και τη μεταφορά στο εσωτερικό. Υπήρξαν και περίοδοι χωρίς σχεδόν καθόλου κηλίδες (ελάχιστο Maunder, 1645–1715).

(Β) Παρατηρήσεις και μέσα: ποτέ δεν κοιτάμε τον Ήλιο απευθείας ή με τηλεσκόπιο χωρίς κατάλληλο φίλτρο, γιατί προκαλεί μόνιμη τύφλωση. Μέθοδοι: προβολή του ειδώλου σε λευκή επιφάνεια, ειδικά ηλιακά φίλτρα πιστοποιημένα για την είσοδο του τηλεσκοπίου, φίλτρα Hα για τις προεξοχές και τη χρωμόσφαιρα, στεμματογράφοι που κρύβουν τον δίσκο για να φανεί το στέμμα, ηλιακά τηλεσκόπια και φασματογράφοι. Από το διάστημα: SOHO, SDO, Hinode, και πιο πρόσφατα Parker Solar Probe και Solar Orbiter, που πλησιάζουν τον Ήλιο. Επίσης η ηλιοσεισμολογία, για το εσωτερικό του.

(Γ) Επιδράσεις στη Γη: φως και θερμότητα, άρα κλίμα και ζωή (φωτοσύνθεση). Οι παλίρροιες, μαζί με τη Σελήνη. Ο «διαστημικός καιρός»: ο ηλιακός άνεμος και οι εκτινάξεις μάζας προκαλούν γεωμαγνητικές καταιγίδες και σέλας, επηρεάζουν δορυφόρους, GPS, ραδιοεπικοινωνίες και δίκτυα ρεύματος. Παραδείγματα: το «γεγονός Carrington» (1859) και η γενική διακοπή ρεύματος στο Κεμπέκ (1989). Οι μεταβολές της ηλιακής δραστηριότητας επηρεάζουν ελαφρά και το κλίμα.

(Α) Τι είναι: επανδρωμένες κατασκευές σε τροχιά γύρω από τη Γη, όπου αστροναύτες ζουν και εργάζονται για μήνες. Βασικές μονάδες: κατοικήσιμα τμήματα (διαμονή, υγιεινή), εργαστήρια, κόμβοι και θύρες πρόσδεσης για τα σκάφη μεταφοράς, ηλιακούς συλλέκτες για ενέργεια, ψυκτικά, σύστημα υποστήριξης ζωής (οξυγόνο, ανακύκλωση νερού, απομάκρυνση CO₂), συστήματα ελέγχου προσανατολισμού και τροχιάς, ρομποτικούς βραχίονες και δομικό «σκελετό».

(Β) Σταθμοί: Salyut 1 (ΕΣΣΔ, 1971, ο πρώτος) και οι επόμενοι Salyut ως το 1986. Skylab (ΗΠΑ, 1973–1979). Mir (ΕΣΣΔ και Ρωσία, πρώτο τμήμα 1986, βύθιση στον Ειρηνικό 2001). Ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός (πρώτο τμήμα, το Zarya, Νοέμβριος 1998, με συνεχή παρουσία πληρώματος από τον Νοέμβριο του 2000): συνεργασία ΗΠΑ, Ρωσίας, Ευρώπης, Ιαπωνίας και Καναδά. Αργότερα: οι κινεζικοί Tiangong-1 και 2, και ο Tiangong (από το 2021).

(Γ) Τεχνογνωσία: πώς επηρεάζει τον ανθρώπινο οργανισμό η μακρόχρονη έλλειψη βαρύτητας και πώς αντιμετωπίζεται, βασικό για ταξίδια στον Άρη. Ανακύκλωση αέρα και νερού (στον ISS ανακτάται περίπου 98% του νερού). Συναρμολόγηση μεγάλων κατασκευών σε τροχιά και διαστημικοί περίπατοι. Ρομποτική. Αυτόματη πρόσδεση. Πειράματα σε μικροβαρύτητα (υλικά, κρύσταλλοι πρωτεϊνών, καύση). Παρατήρηση της Γης. Και η εμπειρία της διεθνούς συνεργασίας σε ένα τόσο σύνθετο έργο.

(Α) Το διάγραμμα: τοποθετεί κάθε άστρο ανάλογα με τη θερμοκρασία της επιφάνειάς του (ή τον φασματικό τύπο O B A F G K M, ή το χρώμα) στον οριζόντιο άξονα και τη φωτεινότητά του (ή το απόλυτο μέγεθος) στον κατακόρυφο. Οι άξονες έχουν δύο ιδιαιτερότητες: η θερμοκρασία μειώνεται προς τα δεξιά (από περίπου 40.000 K ως 2.500 K), και η φωτεινότητα είναι σε λογαριθμική κλίμακα (από $10^{-4}$ ως $10^6$ φορές του Ήλιου, ή απόλυτο μέγεθος από +15 κάτω ως −10 πάνω). Τα άστρα δεν σκορπίζονται τυχαία, αλλά σχηματίζουν ομάδες.

(Β) Κύρια ακολουθία: η διαγώνια λωρίδα από πάνω αριστερά (θερμά, φωτεινά, γαλάζια) ως κάτω δεξιά (ψυχρά, αμυδρά, κόκκινα). Περιέχει περίπου 90% των άστρων: όλα όσα καίνε υδρογόνο στον πυρήνα τους, όπως ο Ήλιος. Η θέση ενός άστρου πάνω της καθορίζεται κυρίως από τη μάζα του (σχέση μάζας – φωτεινότητας, περίπου $L\propto M^{3,5}$): πάνω αριστερά τα μαζικά (O, B), κάτω δεξιά οι ερυθροί νάνοι (M).

(Γ) Συμπεράσματα: ταξινόμηση των άστρων (νάνοι, γίγαντες, υπεργίγαντες, λευκοί νάνοι). Ακτίνες από $L=4\pi R^2\sigma T^4$. Αποστάσεις (φασματοσκοπική παράλλαξη). Ηλικίες σμηνών από το σημείο καμπής. Η εξέλιξη των άστρων ως διαδρομές πάνω στο διάγραμμα. Ο Ήλιος: σήμερα στη μέση της κύριας ακολουθίας (ηλικία 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια). Σε περίπου 5 δισεκατομμύρια χρόνια θα φύγει προς τα πάνω δεξιά, ως ερυθρός γίγαντας, και θα καύσει ήλιο. Μετά θα πετάξει τα εξωτερικά στρώματα ως πλανητικό νεφέλωμα και θα καταλήξει λευκός νάνος κάτω αριστερά, που θα ψύχεται αργά προς τα κάτω δεξιά.

(Α) Γενικά: η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων (CMB) είναι το φως που άφησε το Σύμπαν περίπου 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τότε ψύχθηκε αρκετά (περίπου 3.000 K) ώστε να σχηματιστούν άτομα, και έγινε διαφανές. Από τότε, η διαστολή «τέντωσε» αυτό το φως περίπου 1.100 φορές. Σήμερα έρχεται από όλες τις κατευθύνσεις με φάσμα μέλανος σώματος θερμοκρασίας 2,725 K, με μέγιστο στα μικροκύματα (περίπου 1 mm).

(Β) Η ανακάλυψη: την είχαν προβλέψει οι R. Alpher και R. Herman (1948). Την ανακάλυψαν τυχαία το 1965 οι Arno Penzias και Robert Wilson (Bell Labs) με μια μεγάλη χοανοειδή κεραία για δορυφορικές επικοινωνίες: βρήκαν έναν «θόρυβο» περίπου 3 K που δεν εξαφανιζόταν προς καμία κατεύθυνση, ακόμα κι όταν καθάρισαν την κεραία από τα περιττώματα περιστεριών. Η ομάδα του R. Dicke στο Princeton τον ερμήνευσε ως απομεινάρι της Μεγάλης Έκρηξης (Νόμπελ 1978). (Η διατύπωση «τα τελευταία χρόνια» του θέματος δεν είναι ακριβής: πρόσφατες ήταν οι λεπτομερείς μετρήσεις.)

(Γ) Συμπεράσματα: επιβεβαιώνει τη θερμή Μεγάλη Έκρηξη, και αποκλείει τη θεωρία σταθερής κατάστασης. Οι μικροσκοπικές διακυμάνσεις της (1 μέρος στις 100.000· COBE 1992, WMAP 2003, Planck 2013–2018) είναι οι «σπόροι» των γαλαξιών. Από αυτές προκύπτει ότι το Σύμπαν έχει ηλικία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, είναι γεωμετρικά επίπεδο και αποτελείται από περίπου 5% συνηθισμένη ύλη, 27% σκοτεινή ύλη και 68% σκοτεινή ενέργεια. Υποστηρίζει και τη θεωρία του πληθωρισμού.