Οι μετρήσεις στην Αστρονομία
Τα αστρονομικά μεγέθη είναι τεράστια είτε αναφέρονται σε πλήθος ουρανίων σωμάτων, είτε καταγράφουν αποστάσεις, είτε προσδιορίζουν χρονικές διάρκειες. Ακριβώς γι’ αυτό οι γνωστές μονάδες μέτρησης: μέτρα, χιλιόμετρα, ώρες κλπ., δεν αρκούν.
Η Αστρονομία επιδιώκει να μετρήσει το πλήθος των αστέρων, των γαλαξιών και των υπόλοιπων ουράνιων σωμάτων, προσπαθεί να προσδιορίσει τις μεταξύ τους αποστάσεις αλλά στοχεύει να προσδιορίσει χρονικές στιγμές δημιουργίας και διάρκειες ζωής κάθε σώματος που βρίσκεται εκεί πάνω. Οι κλίμακες που απαιτούνται δεν χωρούν εύκολα στο ανθρώπινο μυαλό. Οι αριθμοί που πρέπει να διαχειριστούμε, ώστε να προσδιορίσουμε τα μεγέθη που αναφέρθηκαν, είναι απίθανα μεγαλύτεροι από οποιουσδήποτε μπορεί να έχετε συναντήσει.
Υιοθετούμε δύο προσεγγίσεις που καθιστούν δυνατή την καταγραφή και την επεξεργασία των τεράστιων αστρονομικών αριθμών – μεγεθών.
Κατά βάση χρησιμοποιούμε ένα σύστημα για την απεικόνιση πολύ μεγάλων, αλλά και πολύ μικρών αριθμών, που ονομάζεται επιστημονική σημειογραφία (ή δύναμη του δέκα). Αυτό το σύστημα είναι πολύ ελκυστικό επειδή εξαλείφει τα πολλά μηδενικά που φαίνονται συντριπτικά για τον αναγνώστη. Στην επιστημονική σημειογραφία, εάν θέλουμε να γράψουμε έναν αριθμό όπως το 500.000.000 πχ., τον εκφράζουμε ως 5 × 108. Ο αριθμός μετά το 10 επάνω δεξιά, που ονομάζεται εκθέτης, εκφράζει τον αριθμό των μηδενικών που πρέπει να τοποθετήσουμε μετά το 5 ώστε να αποδώσουμε τον σωστό αριθμό 500.000.000.
Για παράδειγμα, σήμερα γνωρίζουμε ότι το σύνολο των Γαλαξιών, στο «γνωστό» μας Σύμπαν, είναι περίπου 1.000.000.000.000, δηλαδή 1 τρισεκατομμύριο! Κάθε γαλαξίας αποτελείται από 200.000.000.000 αστέρια. Σε κάθε έναν γαλαξία δηλαδή κατοικούν 200 δισεκατομμύρια αστέρια. Επομένως, το σύνολο των αστεριών, σε όλους τους γαλαξίες που υπολογίζουμε ότι υπάρχουν, είναι 200.000.000.000.000.000.000.000, δηλαδή 200 εξάκις εκατομμύρια!
Η απόσταση του Ήλιου από το πιο κοντινό αστέρι είναι 40.000.000.000.000 χιλιόμετρα, δηλαδή, 40 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα! Υπολογίζουμε ότι η απόσταση του Γαλαξία μας από τον «γειτονικό» μας γαλαξία, της Ανδρομέδας, είναι 24.000.000.000.000.000.000 χιλιόμετρα, δηλαδή 24 πεντάκις εκατομμύρια!
Τέλος, το Σύμπαν έχει ηλικία 13.800.000.000 έτη, δηλαδή 13,8 δισεκατομμύρια έτη!
Αυτές τις ατέλειωτες στρατιές από το ψηφίο «0» καταφέραμε να περιορίσουμε με την επιστημονική γραφή των αριθμών που αναφέρθηκε. Έτσι λέμε ότι το σύνολο των αστέρων είναι 2 × 1023, η απόσταση του Ήλιου από το πιο κοντινό του αστέρι είναι 4 × 1013 χιλιόμετρα, η απόσταση της Ανδρομέδας είναι 24 × 1018 χιλιόμετρα και η ηλικία του Σύμπαντος είναι 13,8 × 109 χρόνια. Ασφαλώς και η γραφή αυτή είναι κομψότερη και «τρομάζει» λιγότερο.
Ο δεύτερος τρόπος με τον οποίο προσπαθούμε να διατηρήσουμε τους αριθμούς απλούς είναι να χρησιμοποιήσουμε ένα διαφορετικό, αλλά πολύ βολικό, μετρικό σύστημα.
Μια τέτοια «βολική» μονάδα, που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι για να περιγράψουν συμπαντικές αποστάσεις, είναι ένα «έτος φωτός». Το σύμβολό του είναι το ly (από το αγγλικό light year).
Ένα έτος φωτός είναι η απόσταση που ταξιδεύει το φως κατά τη διάρκεια ενός έτους. Το φως κινείται πάντα με την ίδια ταχύτητα και η ταχύτητά του είναι η μεγαλύτερη δυνατή ταχύτητα στο σύμπαν. Είναι ο Απόλυτος Συμπαντικός Πρωταθλητής! Πρόκειται για ένα άριστο πρότυπο για την μέτρηση συμπαντικών αποστάσεων. Ίσως να μπερδευτείτε γιατί με το «έτος φωτός» φαίνεται να υπονοείται ότι μετράμε χρόνο, αλλά αυτή η ανάμειξη χρόνου και απόστασης είναι κοινή και στην καθημερινή ζωή. Για παράδειγμα, όταν ο φίλος μας ρωτά «πού βρίσκεται ο κινηματογράφος» μπορούμε να απαντήσουμε: «περίπου 20 λεπτά από το κέντρο της πόλης».
Σε πόσα χιλιόμετρα αντιστοιχεί ένα έτος φωτός; Το φως ταξιδεύει με ταχύτητα 300.000 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο (χλμ/δευτ, km/s). Αυτό ερμηνεύεται στο ότι σε ένα έτος το φως διανύει 10 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα. Επομένως το ένα έτος φωτός είναι περίπου 10 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα, ή 1010 χιλιόμετρα. Ίσως να νομίζετε ότι με χρησιμοποιώντας μία τόσο μεγάλη μονάδα θα μειώσουμε εύκολα τις αποστάσεις από το κοντινότερο αστέρι. Κάθε άλλο, τα αστέρια είναι πολύ πιο μακριά από ό,τι οι φαντασία μας μπορεί εκτιμήσει. Ακόμα και το κοντινότερο αστέρι, που αναφέραμε προηγουμένως, απέχει λίγο περισσότερο από 4,3 έτη φωτός τα 4 × 1013 χιλιόμετρα που προείπαμε. Άλλα αστέρια που είναι ορατά στο γυμνό ή στο τηλεσκοπικό μάτι απέχουν εκατοντάδες, χιλιάδες ή και εκατομμύρια έτη φωτός…
Υποδιαιρέσεις του έτους φωτός είναι οι ημέρες φωτός, οι ώρες φωτός, τα λεπτά φωτός και τα δευτερόλεπτα φωτός, που είναι η απόσταση που θα ταξιδέψει το φως σε μια μέρα, μια ώρα, ένα λεπτό και ένα δευτερόλεπτο αντίστοιχα. Όπως και το έτος φωτός οι υποδιαιρέσεις δεν έχουν το χαρακτήρα που έχουν οι αντίστοιχες χρονικές διάρκειες. Χρησιμοποιούνται προκειμένου να περιγράψουν (μικρότερες) αποστάσεις. Δηλαδή:
- Έτος φωτός: 9.460.730.472.580.800 μέτρα = 9,5 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα.
- Ημέρα φωτός: 25.902.068.371.200 μέτρα = 26 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα.
- Ώρα φωτός: 1.079.252.848.800 μέτρα = 1 δισεκατομμύριο χιλιόμετρα.
- Λεπτό φωτός: 17.987.547.480 μέτρα = 18 εκατομμύρια χιλιόμετρα.
- Δευτερόλεπτο φωτός: 299.792.458 μέτρα = 300 χιλιάδες χιλιόμετρα.
Συνέπειες της πεπερασμένης ταχύτητας του φωτός
Η ταχύτητα του φωτός είναι μεν απίστευτα μεγάλης τιμής αλλά δεν παύει να είναι πεπερασμένη. Τα 300.000, ή 3× 105, χλμ/δευτ είναι μία ταχύτητα που δεν μπορεί να συνειδητοποιήσει εύκολα το ανθρώπινο μυαλό. Φανταστείτε ένα super αεροπλάνο, του πολύ μακρινού μέλλοντος, που μπορούσε να αναπτύξει την ταχύτητα αυτή. Ε, με ένα τέτοιο (φανταστικό) όχημα θα μπορούσαμε να κάνουμε το ταξίδι Αθήνα – Λονδίνο – Αθήνα (μετ’ επιστροφής δηλαδή, aller retour) 65 φορές το δευτερόλεπτο! Ακούγεται εξωπραγματικό αλλά είναι απόλυτα επιβεβαιωμένη επιστημονική αλήθεια.
Υπάρχει όμως άλλος ένας λόγος που η ταχύτητα του φωτός είναι ιδιαίτερα σημαντική μονάδα απόστασης για τους αστρονόμους. Οι πληροφορίες για το σύμπαν φτάνουν σε εμάς σχεδόν αποκλειστικά μέσω διαφόρων μορφών φωτός. Με τον όρο «διάφορες μορφές φωτός» αναφέρομαι είτε στο φως που αντιλαμβάνεται το ανθρώπινο μάτι είτε σε αυτό, που για εμάς είναι «αόρατο», δεν το βλέπουμε δηλαδή, αλλά υπάρχει και καταγράφεται από κατάλληλα όργανα. Ένα τέτοιο φως είναι αυτό που εκπέμπεται από τα σώματα του καλοριφέρ. Δεν το βλέπουμε αλλά ασφαλώς και υπάρχει δεδομένου ότι μας θερμαίνει. Ονομάζεται «υπέρυθρο» και υπάρχουν πολλά ακόμα όπως το υπεριώδες, η ακτινοβολία Roentgen ή ακτίνες Χ, τα μικροκύματα κ.α.
Το φως ταξιδεύει με την ταχύτητα που είπαμε, δηλαδή 1 έτος φωτός κάθε χρόνο. Αυτό θέτει ένα όριο στο πόσο γρήγορα μπορούμε να μάθουμε για τα γεγονότα στο σύμπαν. Εάν ένα αστέρι απέχει 100 έτη φωτός, το φως που βλέπουμε απόψε ξεκίνησε από το συγκεκριμένο αστέρι πριν από 100 χρόνια και μόλις τώρα φτάνει στη γειτονιά μας. Επομένως το συντομότερο δυνατό που θα μάθουμε για τυχόν αλλαγές σε αυτό το αστέρι είναι 100 χρόνια μετά από οποιοδήποτε γεγονός. Για ένα αστέρι 500 έτη φωτός μακριά, το φως που ανιχνεύουμε απόψε έφυγε πριν από 500 χρόνια και μεταφέρει νέα που απέχουν στον χρόνο 500 χρόνια.
«Εννοείς, όταν βλέπω αυτό το αστέρι εκεί πάνω, δεν θα ξέρω τι συμβαίνει εκεί για τα τελευταία 500 χρόνια;»
Η απάντηση είναι: Ναι, ακριβώς έτσι είναι!
Επειδή είμαστε συνηθισμένοι σε άμεσες ειδήσεις από το Διαδίκτυο, ορισμένοι μπορεί να θεωρήσουν απογοητευτικό το γεγονός ότι δεν γνωρίζουμε «τι συμβαίνει τώρα».
Αλλά αυτό που στην αρχή φαίνεται να προκαλεί μεγάλη απογοήτευση είναι στην πραγματικότητα ένα τεράστιο όφελος! Εάν οι αστρονόμοι θέλουν πραγματικά να συνενώσουν αυτό που συνέβη στο σύμπαν από την αρχή του, και το θέλουν πολύ, πρέπει να βρουν στοιχεία για κάθε εποχή (ή χρονική περίοδο) του παρελθόντος. Πού μπορούμε να βρούμε σήμερα στοιχεία για κοσμικά γεγονότα που συνέβησαν δισεκατομμύρια χρόνια πριν;
Η καθυστέρηση στην άφιξη του φωτός δίνει μια απάντηση σε αυτήν την ερώτηση. Όσο πιο μακριά στο διάστημα κοιτάζουμε, τόσο περισσότερο χρειάζεται το φως για να φτάσει εδώ, επομένως τόσο πιο βαθιά στο παρελθόν ξεκίνησε από τον τόπο καταγωγής του. Κοιτάζοντας δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά στο διάστημα, οι αστρονόμοι βλέπουν ουσιαστικά δισεκατομμύρια χρόνια στο παρελθόν. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να ανακατασκευάσουμε την ιστορία του Κόσμου και να κατανοήσουμε πώς εξελίχθηκε με την πάροδο του χρόνου.
Εκτός από το «έτος φωτός» η αστρονομία χρησιμοποιεί επίσης το παρσέκ (parsec, συμβολικά: pc). Προφανώς είναι μονάδα μέτρησης αποστάσεων και αντιστοιχεί σε περίπου 3,26 έτη φωτός, δηλαδή 30,9 τρισεκατομμύρια (3,09 × 1013 ) χιλιόμετρα. Η απόσταση του ενός παρσέκ είναι σχετικά μεγάλη για τις αποστάσεις των πλανητών του ηλιακού μας συστήματος από τη Γη και σ’ αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιείται η Αστρονομική Μονάδα (1 AU). Όλοι οι γνωστοί αστέρες απέχουν απόσταση μεγαλύτερη του ενός παρσέκ από τη Γη. Για παράδειγμα ο κοντινότερος αστέρας στη Γη μετά τον Ήλιο, ο Εγγύτατος του Κενταύρου, απέχει από τη Γη περίπου 1,29 pc, ενώ οι περισσότεροι αστέρες που φαίνονται με το γυμνό μάτι είναι πλησιέστερα των 500 pc. Για τις αποστάσεις των αστέρων του Γαλαξία μας χρησιμοποιείται συνήθως το 1 pc και το 1 Κpc (1 Κpc = 1.000 = 103 pc), ενώ για τις αποστάσεις των άλλων γαλαξιών από τη Γη το 1 Mpc (1 Mpc = 1.000.000 = 106 pc). Για παράδειγμα η διάμετρος του Γαλαξία μας είναι 30 Κpc.
……………
Μερικές αποστάσεις σε έτη φωτός και στις υποδιαιρέσεις του
- Το φως χρειάζεται 8,31 λεπτά να φτάσει από τον Ήλιο στη Γη (απόσταση που είναι περίπου δεκάξι εκατομμυριοστά του έτους φωτός), επομένως η απόσταση Ήλιου – Γης είναι 8,31 «λεπτά φωτός».
- Η απόσταση Γης-Σελήνης είναι 1,25 «δευτερόλεπτα φωτός».
- Ο Βόγιατζερ 1 τον Σεπτέμβρη του 2004 βρισκόταν 13 «ώρες φωτός» μακριά από τη Γη (περίπου ενάμισι χιλιοστό του έτους φωτός) και χρειάστηκε 27 χρόνια για να διανύσει αυτή την απόσταση!
- Το κοντινότερο σε μας αστέρι, ο Άλφα του Κενταύρου (ή Εγγύτατος του Κενταύρου), βρίσκεται σε απόσταση 4,22 ετών φωτός.
- Ο Kepler 186f, ένας πλανήτης που μοιάζει με τη Γη και στρέφεται γύρω από ένα κοντινό του αστέρι, απέχει 490 έτη φωτός από τη Γη.
- Το κέντρο του Γαλαξία μας απέχει περίπου 28.000 έτη φωτός.
- Η διάμετρος του Γαλαξία μας είναι περίπου 100.000 έτη φωτός.
- Ο κοντινότερος σε μας γαλαξίας, ο Γαλαξίας της Ανδρομέδας, απέχει από τον δικό μας περίπου 2,5 εκατομμύρια έτη φωτός.
- Το φως όμως από τους πιο μακρινούς γαλαξίες που μπορούμε να παρατηρήσουμε έφυγε από εκεί πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια.
- Οι αποστάσεις μέχρι τα πιο μακρινά σημεία του Σύμπαντος που έχουμε παρατηρήσεις είναι περίπου 92 δισεκατομμύρια έτη φωτός!