Αστρονομία

ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ
του Δημήτρη Νικολαΐδη

Επιστήμη συγγενική με τη φυσική και τα μαθηματικά, που ερευνά τα φαινόμενα των αστέρων, η επιστήμη που μελετά τη φυσική κατάσταση, τη θέση, την κίνηση, τη σύσταση και την εξέλιξη των αστέρων. Η λέξη αστέρες λαμβάνεται εδώ στην όσο το δυνατόν γενικότερη έννοιά της και εφαρμόζεται σε όλα τα πράγματα που βρίσκονται στον ουρανό: πλανήτες, ήλιος, δορυφόροι (φυσικοί και τεχνητοί), κομήτες, διαπλανητικά αέρια και σκόνη, αστέρες, ομάδες αστέρων, γαλαξιακά νεφελώματα, αέρια και κοσμική ύλη, πηγές ραδιενέργειας, σύνολα γαλαξιών και τελικά το σύμπαν ως γενικό σύνολο όλων των αστέρων. Η μελέτη της Γης, ως ουράνιου σώματος, ανήκει επίσης σε ένα από τα πεδία μελέτης της αστρονομίας. H αστρονομία δεν έχει ως μόνο σκοπό να περιγράψει τους αστέρες, αλλά κυρίως να αναλύσει τη φυσική, χημική και τη βιολογική τους κατάσταση, όχι μόνο την πρόσφατη, αλλά και την κατάσταση που βρίσκονταν στο παρελθόν και εκείνη στην οποία θα βρίσκονται στο μέλλον. Ένα σημαντικό μέρος, ίσως το σημαντικότερο, της αστρονομικής έρευνας είναι αφιερωμένο στην εξέλιξη των αστέρων και του σύμπαντος.

Ο αστέρας είναι ένα πολυσύνθετο αντικείμενο, που δέχεται την ενέργεια ενός κέντρου μιας επίσης πολύπλοκης δομής και τις ποικίλες επιδράσεις του συστήματος στο οποίο ανήκει. Για να εξηγήσουμε τις κινήσεις ενός αστέρα, πρέπει να στηριχτούμε στους νόμους της στατιστικής μηχανικής, για να αναλύσουμε τις ακτινοβολίες που δέχεται και την προέλευση της ενέργειας, καταφεύγουμε στην ατομική φυσική, για τα φαινόμενα της ατμόσφαιρας του πλανήτη, στη χημεία, για τη φύση του εδάφους, στη γεωλογία. Καθώς τοποθετούνται μηχανήματα μετρήσεων στο έδαφος της Σελήνης και των πλανητών πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τις μεθόδους της κρυσταλλογραφίας.  H  μελέτη λοιπόν του σύμπαντος και των σωμάτων που το συγκροτούν αφορά σε ένα από τα ευρύτερα πεδία δράσης που το ανθρώπινο πνεύμα μπορεί vα αντιμετωπίσει μέσα στον φυσικό κόσμο. Για να προχωρήσει στην έρευνά της, η αστρονομία οφείλει να χρησιμοποιήσει γνώσεις που απέκτησαν όλες οι άλλες επιστήμες και να εφαρμόσει κάθε τεχνική μέθοδο.

Η σύγχρονη αστρονομία μπορεί να διαιρεθεί σε τρία κύρια μέρη: 1) την αστρομετρία (υπολογισμός θέσης, ουράνια μηχανική, αστρική δυναμική, αστρική κινηματική, αστρική στατιστική κλπ.)  2) την αστροφυσική (μελέτη της φύσης των ουράνιων σωμάτων, φωτομετρία, μέτρηση ακτινοβολιών, φασματοσκοπία, ραδιοαστρονομία, πυρηνική α. κλπ), 3) τη διαστημική αστρονομία (άμεση συλλογή πληροφοριών και ανάλυση της ύλης που αποτελεί τα άστρα).

Η αλματώδης τελειοποίηση των μέσων έρευνας και η τεράστια διεύρυνση του πεδίου των μελετών προκάλεσαν αμφισβητήσεις αν το εκτεταμένο αυτό σύνολο αποτελεί ενιαία επιστήμη. Μερικοί ειδικοί προτείνουν τον χωρισμό της αστρονομίας από την αστροφυσική και επιμένουν ότι πρακτικά με τον όρο αστρονομία εννοούμε το σύνολο των μελετών που αφορούν στους αστέρες μόνο από δυναμική και κινηματική άποψη. Άλλοι όμως υποστηρίζουν ότι o διαχωρισμός είναι τυπικός και ότι η αστρονομία μελετά καθετί σχετικό με τα ουράνια σώματα και φαινόμενα.

Η αστρονομία είναι, χωρίς αμφιβολία, η αρχαιότερη επιστήμη. Από την προϊστορική ακόμα εποχή καλλιεργήθηκε με επιτυχία η παρατηρητική αστρονομία. Οι αντιλήψεις των πρώτων εκείνων παρατηρητών για το σύμπαν δεν επέτρεψαν βέβαια την ακριβή ερμηνεία των φαινομένων που διαπίστωναν, αλλά η μεγάλη κληρονομιά των διαφόρων παρατηρήσεων αποτέλεσε ένα σημαντικό και αναγκαστικά απαραίτητο υπόβαθρο για τις μεγάλες αστρονομικές ανακαλύψεις που έγιναν από την Αναγέννηση και ύστερα.

Οι απαρχές της αστρονομίας. Για να γίνουν καταληπτά τα ουράνια φαινόμενα είναι χρήσιμο να ανατρέξουμε στην ιστορική εξέλιξη των αστρονομικών αναζητήσεων. Με την έννοια αυτή θα ήταν σκόπιμη μια επισκόπηση των αντιλήψεων για το σύμπαν πριν και μετά τον Γαλιλαίο. Τα φαινόμενα που επέσυραν αμέσως την προσοχή των πρώτων αστρονόμων ήταν η κανονική εναλλαγή της ημέρας με τη νύχτα, η διαδοχή των εποχών, η θεώρηση του έναστρου ουρανού, το γεγονός της ανατολής και της δύσης των αστέρων και το ότι μερικοί από αυτούς είναι ορατοί όλο το έτος, ενώ άλλοι παραμένουν στον ουρανό μόνο ορισμένες περιόδους. Η εμφάνιση στον ουρανό μερικών αστέρων που κινούνται διαφορετικά από τους άλλους οδήγησε τους αρχαίους αστρονόμους να τους κατατάξουν σε άλλη ομάδα. Αυτοί ονομάστηκαν πλανήτες και οι πρώτοι που παρατηρήθηκαν πήραν τα ονόματα Ερμής, Αφροδίτη, Άρης, Ζευς, Κρόνος. Έγινε επίσης αντιληπτό ότι ακόμα και o Ήλιος και η Σελήνη δεν συμμετέχουν με ακρίβεια στη γενική κίνηση των άλλων αστέρων. Οι πιο παλιές πληροφορίες αστρονομικών παρατηρήσεων προέρχονται από τους Βαβυλώνιους οι οποίοι, μεταξύ των άλλων, διέκριναν στον ουρανό τους αστερισμούς του ζωδιακού κύκλου και διαίρεσαν την ημέρα και τη νύχτα σε δώδεκα ώρες. Οι γνώσεις όμως των Αιγυπτίων ήταν πολύ πιο βαθιές: κατάφεραν να προσδιορίσουν ότι το έτος διαρκεί 365 1/4 ημέρες, οι πυραμίδες τους χτίστηκαν με ακριβή αστρονομικό προσανατολισμό και οι ψηλοί οβελίσκοι έδειχναν πάντοτε τον μεσημβρινό. Οι αρχαίοι Έλληνες ανέπτυξαν περισσότερο από κάθε αρχαίο λαό τη μελέτη των ουράνιων φαινομένων. Ο Ίππαρχος τον 2o αι. π.Χ. υπήρξε ένας από τους μεγαλύτερους αστρονόμους της αρχαιότητας. Αν και οι μελέτες του δεν τον έφεραν στο σημείο να θεωρήσει τον Ήλιο ως κέντρο του συστήματος στο οποίο ανήκει ο πλανήτης μας, πάντως πέτυχε να συμπεράνει ότι και η Γη κινείται στο Διάστημα. Μεταξύ των πολυάριθμων φιλοσόφων και μαθηματικών που ασχολήθηκαν με την α. επιτελώντας ακριβείς παρατηρήσεις, σημειώνουμε τον Αρίσταρχο τον Σάμιο (3ος αι. π.Χ.), εισηγητή του ηλιοκεντρικού συστήματος, τον Θαλή, τον Πυθαγόρα, τον Φιλόλαο, τον Μέτωνα και τον Αριστοτέλη. Ο Ερατοσθένης, που ζούσε στην Αλεξάνδρεια της Αιγύπτου τον 2o αι. μ.Χ., προσπάθησε να μετρήσει τις διαστάσεις της Γης. H μέτρηση ήταν, για τα μέσα της εποχής εκείνης, εκπληκτικά ακριβής. Άλλος μεγάλος αστρονόμος υπήρξε o Πτολεμαίος (2ος αι. μ.Χ.), οι μελέτες του οποίου αποτέλεσαν τη βάση για τις έρευνες όλων των σοφών του Μεσαίωνα στη δυτική Ευρώπη.

Η σύγχρονη αστρονομία. H πρώτη παρατήρηση, κατά την οποία τα ουράνια φαινόμενα εξηγούνται πολύ απλούστερα αν παραδεχτούμε ότι o Ήλιος και όχι η Γη είναι o κεντρικός αστέρας του σύμπαντος και ότι η Γη περιστρέφεται γύρω από αυτόν μαζί με τους άλλους πλανήτες, οφείλεται στον Αρίσταρχο τον Σάμιο (280 π.Χ.). Ύστερα από 14 αιώνες, την ηλιοκεντρική αυτή θεωρία αναβίωσε ο Κοπέρνικος (1473-1543) και οι μεταγενέστεροι της έδωσαν το όνομά του. H ηλιοκεντρική θεωρία του Κοπέρνικου είχε το μεγάλο πλεονέκτημα ότι θεωρούσε τη Γη έναν πλανήτη σαν τους άλλους, χωρίς δηλαδή τη θέση που της απέδιδαν προηγουμένως για λόγους που δεν μπόρεσαν να επιβεβαιωθούν από το πείραμα. Από τυπική όμως άποψη, η ιδέα του Κοπέρνικου δεν ήταν ανώτερη από τις ιδέες των προηγούμενων αστρονόμων, γιατί η μεγαλύτερη απλούστευση του συστήματος δεν είναι ικανός λόγος για την υποστήριξη των ιδεών του, αντίθετα, η αφαίρεση από τη Γη της προνομιούχας θέσης που κατείχε μπορούσε να φανεί πολύ νεωτεριστική σε σχέση με την απλοποίηση που επέφερε.

Στην πραγματικότητα, από τις αντιλήψεις αυτές έλειπε η φυσική άποψη, η οποία, με τον Γαλιλαίο (1564-1624) και τον Νεύτωνα (1642-1727), έμελλε να μεταφέρει την περιγραφή του κόσμου από το κινηματικό ομοίωμα στο δυναμικό και να τον ερμηνεύσει με την έννοια της δύναμης και ιδιαίτερα με τις έννοιες του έργου, της ενέργειας κλπ. Έτσι τελειοποιήθηκε η θεωρία που χαρακτηρίζει τη μετά τον Γαλιλαίο αντίληψη για τον κόσμο και που βρήκε μοναδική δυνατότητα εφαρμογής στο σύστημα που είχε προτείνει ο Κοπέρνικος. Με τον Γαλιλαίο και τον Νεύτωνα, λοιπόν, θεμελιώθηκε η σύγχρονη α. και θεωρήθηκε η επιστήμη που μελετά τις γενικές κινήσεις των ουράνιων σωμάτων, βασισμένη στις στέρεες αρχές της μηχανικής. Μαζί με τον Γαλιλαίο και τον Νεύτωνα πρέπει να σημειώσουμε και τον Κέπλερ (1571-1630), ο οποίος απέδειξε οριστικά την ισχύ του συστήματος του Κοπέρνικου καθορίζοντας τρεις νόμους πολύ ακριβείς, που μπορούν να διατυπωθούν μαθηματικά και ρυθμίζουν την κίνηση των πλανητών γύρω από τον Ήλιο:

1) Οι πλανήτες διαγράφουν ελλειπτικές τροχιές, στις οποίες ο Ήλιος κατέχει τη μία από τις εστίες.
2) Τα εμβαδά που διαγράφει σε ίσους χρόνους η επιβατική ακτίνα, η οποία ενώνει τον Ήλιο με τον πλανήτη, είναι για κάθε πλανήτη ίσα μεταξύ τους.
3) Ο λόγος του κύβου του μεγάλου ημιάξονα της έλλειψης, την οποία διαγράφει γύρω από τον Ήλιο ένας πλανήτης, προς το τετράγωνο του χρόνου της αστρικής περιφοράς αυτού, είναι σταθερός για όλους τους πλανήτες.

H μελέτη της αστρονομίας, που άρχισε από τον Γαλιλαίο και τον Νεύτωνα, έφτασε γρήγορα στο συμπέρασμα ότι οι τρεις νόμοι του Κέπλερ είναι η αναγκαία συνέπεια της θεώρησης του ηλιακού συστήματος ως ενός μηχανικού συστήματος που διέπεται από τους νόμους της παγκόσμιας έλξης. Βάσει αυτού θεωρήθηκε το ομοίωμα του Κοπέρνικου η πραγματική περιγραφή του ηλιακού συστήματος.

Ο Γαλιλαίος προίκισε τη μελέτη του ουρανού με ένα ισχυρό μέσο έρευνας, το τηλεσκόπιο. Με αυτό έγινε δυνατή η απόδειξη των θεωριών του Κοπέρνικου και ταυτόχρονα η εκτέλεση παρατηρήσεων με υψηλό βαθμό ακρίβειας. Σιγά-σιγά οι αστρονόμοι διαιρέθηκαν σε δύο κατηγορίες: στους παρατηρητές και τους θεωρητικούς. Οι πρώτοι αφοσιώθηκαν στην παρατήρηση των πλανητών και των αστέρων με όργανα όλο και πιο ισχυρά και στην εκτέλεση παρατηρήσεων και μετρήσεων όλο και πιο ακριβών. Οι δεύτεροι μελετούσαν θεωρητικά τη μηχανική και τις συνέπειές της, με βάση τους νόμους της παγκόσμιας έλξης.

Έτσι, μέσα σε λίγο περισσότερο από δύο αιώνες, συσσωρεύτηκε ένα τεράστιο ερευνητικό έργο, χάρη στο οποίο υπολογίστηκαν, έως τις μικρότερες λεπτομέρειες, η κίνηση της Γης γύρω από τον Ήλιο και η περιστροφή της γύρω από τον άξονά της μαζί με τα διάφορα φαινόμενα μεταπτώσεων και κλονίσεων. Οι έρευνες αυτές επέτρεψαν επίσης να καταστρωθούν αστρονομικοί χάρτες του ουρανού και να καθιερωθεί ένα σύστημα συντεταγμένων με το οποίο μπορούμε να προσδιορίσουμε κάθε άστρο στην ουράνια σφαίρα.

Με την ακριβή μελέτη της κίνησης της Γης έγινε δυνατόν να θεμελιωθεί η θεωρία της μέτρησης του χρόνου. Προσδιορίστηκε με ικανοποιητική ακρίβεια η απόσταση της Γης από τον Ήλιο και, με βάση τριγωνισμού τη διάμετρο της γήινης τροχιάς, η απόσταση πολλών αστέρων. Με τον τρόπο αυτό έγιναν αντιληπτές οι πραγματικές διαστάσεις του ηλιακού συστήματος, η θέση της Γης και του Ήλιου μέσα σε αυτό και μελετήθηκε η δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. H νέα αντίληψη για τον κόσμο, όπως πήγασε από τη μηχανική του Γαλιλαίου και του Νεύτωνα, γιόρτασε έναν από τους πράγματι μεγαλύτερους θριάμβους της, όταν o Γερμανός αστρονόμος Γιόχαν Γκότφριντ Γκάλε ανακάλυψε (1846) την ύπαρξη του Ποσειδώνα, την οποία είχε προβλέψει θεωρητικά ο Γάλλος Ουρμπέν-Ζαν-Ζοζέφ Λε Βεριέ.

Ύστερα από αυτό, η αστρονομία είχε βρει τον σωστό τρόπο ερμηνείας των ουράνιων φαινομένων και μπορούσε να δίνει ικανοποιητικές ερμηνείες του κόσμου στον οποίο ανήκει ο πλανήτης μας. Ιδρύθηκαν μεγάλα αστεροσκοπεία στις κυριότερες πόλεις και τη διεύθυνσή τους ανέλαβαν εξέχοντες μελετητές της αστρονομίας. Ο πρώτος διευθυντής του αστεροσκοπείου του Γκρήνουιτς ήταν ο Τζον Φλάμστιντ (1646-1719) και του αστεροσκοπείου του Παρισιού ο Κασίνι (1748-1845).

Με την είσοδο της αστροφυσικής, στις αρχές του 19ου αι., πραγματοποιήθηκαν οι πρώτες φασματοσκοπικές παρατηρήσεις του Ήλιου και αργότερα, μετά τα μέσα του 20ού αι., των διαφόρων άλλων αστέρων. Ακόμα δεν είχε γίνει καταληπτή σε όλους η θεμελιώδης σημασία όλων αυτών των ερευνών και το μεγαλύτερο μέρος των αστρονόμων συνέχιζε να ασχολείται με τα αστρονομικά προβλήματα κατά την καθιερωμένη μέθοδο, που στηριζόταν κυρίως στη μελέτη των ουράνιων κινήσεων. Όταν αναπτύχθηκε σημαντικά και ο τομέας της αστροφυσικής, μερικοί υποστήριξαν ότι οι νέες μέθοδοι της αστροφυσικής ήταν προορισμένες να υποκαταστήσουν τις μεθόδους της κλασικής αστρονομίας. Το ότι οι αστροφυσικοί προτίμησαν τη δική τους ονομασία από την ιδιότητα του αστρονόμου οφείλεται κυρίως στο ότι μεταξύ των πρώτων και των δεύτερων υπάρχει μια ουσιώδης διαφορά στις μεθόδους έρευνας: οι αστροφυσικοί εμπνέονταν από τις νεότερες ανακαλύψεις της φυσικής και η νοοτροπία τους πλησίαζε περισσότερο στη νοοτροπία των πρωτοπόρων της νέας φυσικής του ατόμου, παρά σε εκείνη που χαρακτήριζε, για δύο σχεδόν αιώνες, τους ερευνητές της ουράνιας μηχανικής μαζί με το μεγαλειώδες φυσικομαθηματικό οικοδόμημά τους. Σταδιακά οι διαφορές αυτές εξασθένησαν πολύ, γιατί και οι αστροφυσικοί και οι αστρονόμοι αναγνωρίζουν τη σημασία των διαφόρων τομέων της έρευνας. Τελικά, μπορούμε να ονομάζουμε κλασικούς αστρονόμους όσους ασχολούνται με έρευνες βασισμένες κυρίως στην κλασική μηχανική των Όιλερ, Λανγκράνζ και Λαπλάς και αστροφυσικούς όσους μελετούν τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των αστέρων. δηλαδή αστροφυσική.