Μία άλλη ματιά στο ηλιακό μας σύστημα

Αύγουστος με περσείδες και δυό φεγγάρια για τους φουλ ρομαντικούς. Στις 31/8 ακολουθεί η δεύτερη πανσέληνος του Αυγούστου ή μπλε πανσέληνος. Το μπλε είναι Αμερκανιά απο ραδιοφωνική εκπομπή θέλοντας να δείξει τη σπανιότητα του φαινομένου. Το φαινόμενο όμως δεν είναι σπάνιο και αν έπρεπε να ονομάσουμε μπλε κάποια πανσέληνο θα ονομάζαμε την εμβόλιμη στις 1/8. Ένας μήνας με 31 ημέρες μπορεί να έχει δύο πανσελήνους αν η πρώτη είναι την πρώτη του μηνός. Επειδή από πανσέληνο σε πανσέληνο μεσολαβούν 29,5 ημέρες 29,5+1 = 30,5 δηλαδή νέα πανσέληνος στις 31 του ίδιου μήνα. Ας πάμε στο θέμα μας όμως.

ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΩΝ ΤΡΙΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ: Πρόκειται για την περίπτωση όπου καθένα από τα 3 σώματα κινείται υπό την επίδραση της βαρύτητας των άλλων δύο. Είναι ένα πρόβλημα που κατά καιρούς έχει απασχολήσει πολλούς φυσικούς και μαθηματικούς καθώς είναι άλυτο με την έννοια του ότι δεν προκείπτει με σαφήνεια μία μελοντική θέση των τριών σωμάτων όπως στο πρόβλημα των δύο σωμάτων. Δηλαδή η “λύση” του προβλήματος οδηγεί σε χαοτικές κινήσεις των 3 σωμάτων. Κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις όμως μπορούν να προκύψουν κάποιες συγκεκριμένες λύσεις στο σύστημα γη – ήλιος – σελήνη χρήσιμες στη διαστημική.  Πολύ πιό απλό είναι το λεγόμενο περιορισμένο πρόβλημα των 3 σωμάτων όπου το ένα έχει αμελητέα μάζα συγκριτικά με τα άλλα 2. Έτσι τα δύο μεγάλα σώματα κινούνται υπό την επίδραση μόνο της μεταξύ τους δύναμης, ενώ το μικρό υπό την επίδραση των δυνάμεων και από τα 2 μεγάλα. Τέτοια περίπτωση είναι η κίνηση αντικειμένων στο σύστημα γη-σελήνη ή γη-ήλιος. 

Η λύση του περιορισμένου προβλήματος των 3 σωμάτων από τον Lagrange έδωσε τα 5 σημεία ισορροπίας Lagrange όπου ένα πολύ μικρό σώμα ισορροπεί καθώς η συνισταμένη όλων των δυνάμεων(οι δύο ελκτικές απο τα δύο σώματα και η φυγόκεντρη) είναι μηδέν ή ισοδύναμα η συνισταμένη των βαρυτικών δυνάμεων είναι κεντρομόλος. Τα σημεία L₁, L₂, L₃ που βρίσκονται στην ευθεία που ενώνει τα δύο μεγάλα σώματα  ενώ τα L₄, L₅ που βρίσκονται στην τρίτη κορυφή ισοπλεύρου τριγώνου με τις άλλες δύο κορυφές να είναι τα δύο μεγάλα σώματα. Τα L₁, L₂, L₃ είναι σημεία ασταθούς ισορροπίας ενώ τα L₄, L₅ είναι σημεία ευσταθούς ισορροπίας εάν το ένα από τα δύο μεγάλα σώματα είναι πολύ μεγαλύτερο από το άλλο(ήλιος-πλανήτης). Σήμερα στο σημείο L₁ της γης ως πρός τον ήλιο βρίσκεται ο δορυφόρος DSCOVR για τη μελέτη του ηλιακού ανέμου και στο L₂ το James Web και τα Gaia, Ευκλείδης(εκτοξεύτηκε πρόσφατα) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος(ESA). Μερικοί πλανήτες μοιράζονται τις τροχιές τους με αστεροειδείς στα σημεία L₄ και L₅ σε σχέση με τον ήλιο.  Χαρακτηριστική περίπτωση ο Δίας με ένα μεγάλο πλήθος αστεροειδών στο L₄(Τρώες) και στο L₅(Έλληνες). Οι αστεροειδείς αυτοί λόγω του παραλληλισμού με τον Τρωϊκό πόλεμο ονομάζονται Τρωϊκοί(Trojian). Στην περίπτωση γης – ήλιου με τη μάζα της γης πολύ μικρότερη από τη μάζα του ήλιου τα σημεία L₁ , L₂ είναι συμμετρικά ως προς τη γη και η απόστασή τους από τη γη είναι περίπου 1,5 εκ km.  Την απόσταση αυτή είχαμε υπολογίσει σε παλαιότερες αναρτήσεις την εποχή εκτόξευσης του JW.           

Στο σύστημα Γη – Σελήνη λόγω σημαντικών παρέλξεων από τον ήλιο τα L₁ , L₂ δεν είναι συμμετρικά. Το L₁ απέχει 57660 km από το κέντρο της σελήνης και 326740 km από το κέντρο της γης, το L₂ απέχει 65348 km από το κέντρο της σελήνης και 449748 km από το κέντρο της γης. Το μέλλον των διαστημικών σταθμών είναι στο σημείο L₁ της σελήνης, σταθμοί που εκτός από επιστημονικά προγράμματα θα λειτουργούν σαν προθάλαμος για την μετάβαση αστροναυτών και πάσης φύσεως υλικών στη σελήνη. Με εξουδετερωμένη τη βαρύτητα της γης η μετάβαση από το σταθμό στη σελήνη θα είναι απλή και οικονομική. Ήδη η NASA σε συνεργασία και με οργανισμούς διαστήματος άλλων κρατών ετοιμάζει τον σταθμό σε τροχιά γύρω από τη σελήνη που θα υποστηρίζει και το πρόγραμμα Artemis. Επίσης έχει σχεδιαστεί και περιστρεφόμενος σταθμός για τεχνητή βαρύτητα που θα τοποθετηθεί στο L₁ του συστήματος γη-σελήνη. Εν τω μεταξύ τα αστρόπλοια του Μασκ θα αποβιβάζουν τουρίστες στους σταθμούς οι οποίοι στη συνέχεια θα παίρνουν …το ταξί για σελήνη. Παμ΄ φεγγάρι;

ΣΦΑΙΡΑ HILL: Πρόκειται για μία σφαίρα γύρω από ένα σώμα που οριοθετεί την βαρυτική κυριαρχία του σώματος έναντι άλλων γειτονικών. Δηλαδή κάθε αντικείμενο που θα βρεθεί μέσα στη σφαίρα Hill ενός σώματος μπορεί να γίνει δορυφόρος του. Στο ηλιακό σύστημα που κυριαρχεί ο ήλιος οριοθετούμε την περιοχή κυριαρχίας ενός πλανήτη με τη σφαίρα Hill. Έτσι το βαρυτικό δυναμικό του πλανήτη πάνω στην επιφάνεια της σφαίρας Hill είναι μηδέν. Δηλαδή θεωρούμε τη σφαίρα Hill σαν άπειρο για τον πλανήτη. Ας δούμε το σύστημα Γη – Ήλιος.                                                     

Η ακτίνα της σφαίρας Hill για τη Γη είναι όσο η απόστασή της από τα σημεία Lagrange L₁, L₂ δηλαδή περίπου 1,5 εκ. km. Αυτό που ονομάζουμε ταχύτητα διαφυγής απο τη γη(υ_δ = 11,2 km/s) είναι η ταχύτητα που απαιτείται για να φτάσει ένα αντικείμενο από την επιφάνεια της γης στη σφαίρα Hill με μηδενική ταχύτητα. ΔΗΛΑΔΗ Η ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΔΙΑΦΥΓΗΣ ΑΠΟ ΤΗ ΓΗ ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ ΚΑΙ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΔΙΑΦΥΓΗΣ ΑΠΟ ΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ. Αν το αντικείμενο εκτοξευτεί με ταχύτητα υ_Γ μεγαλύτερη από 11,2 km/s και μικρότερη απο 16,7 km/s που είναι η ταχύτητα διαφυγής από το ηλιακό σύστημα, τότε η ταχύτητα υ με την οποία θα φτάσει στη σφαίρα Hill θα είναι η ταχύτητα με την οποία θα ξεκινήσει την ηλιοκεντρική τροχιά του υπό την επίδραση ΜΟΝΟ της βαρύτητας του ήλιου(ΑΔΜΕ απο Γη – σφαίρα Hill: 1/2mυ_Γ²– GM_Γm/R_Γ = 1/2mυ²). Το κομμάτι της ηλιοκεντρικής τροχιάς είναι το συντριπτικά μεγαλύτερο ενός διαστημικού ταξιδιού. Όταν το αντικείμενο φτάσει στη σφαίρα Hill ενός άλλου πλανήτη τότε συνεχίζει υπό την επίδραση της βαρύτητας του πλανήτη ΜΟΝΟ και μπορεί να γίνει δορυφόρος του πλανήτη ή να προσεδαφιστεί.

ΣΗΜ. Στην πράξη το όριο της κυριαρχίας της γης είναι μικρότερο λόγω σημαντικών παρέλξεων από τον ήλιο και μακροπρόθεσμα λόγω παλιρροϊκών δυνάμεων από τον ήλιο. Έτσι το όριο ανέρχεται στα 926.000 km και χαρακτηρίζεται σαν σφαίρα επιρροής της γης. Παρά ταύτα η σελήνη στα 384000 km είναι μακράν μέσα στη σφαίρα επιρροής της γης.

ΠΟΣΟ ΜΕΓΑΛΟ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΜΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑ;                       

Προφανώς το ηλιακό μας σύστημα βρίσκεται μέσα στη σφαίρα Hill του ήλιου μας ως προς τον γαλαξία. Πόσο μεγάλη είναι αυτή η σφαίρα; Ας πάμε σιγά-σιγά.

Στην πρώτη εικόνα είναι το εσωτερικό ηλιακό σύστημα μέχρι τον Δία στις 5,2 AU από τον ήλιο(1 AU = 150.000.000 km). Στη δεύτερη εικόνα είναι το εξωτερικό ηλιακό σύστημα μέχρι την δεύτερη ζώνη αστεροϊδών(Ζώνη Κάϊπερ). Ο τελευταίος πλανήτης Ποσειδώνας βρίσκεται στις 30,1 AU. Ο νάνος πλανήτης Πλούτωνας έχει αφήλιο στις 49,3 AU και περιήλιο στις 29,6 AU, δηλαδή η τροχιά του τέμνει την τροχιά του Ποσειδώνα. Το πιό μακρυνό αντικείμενο που έχει φτάσει διαστημόπλοιο είναι η εσχάτη Θούλη ένας αστεροειδής στις 45 AU στη ζώνη Κάϊπερ. Την εσχάτη Θούλη επισκέφτηκε το New Horizon της NASA το 2019 και επειδή το Θούλη παραπέμπει σε Ναζί ονομάστηκε Arrokoth που σημαίνει ουρανός σε μία φυλή Ινδιάνων. Στην τρίτη εικόνα διακρίνουμε το νέφος του Oort, ένα δαχτυλίδι που εκτείνεται μέχρι τις 50000 AU που φαίνεται να αποτελλεί αναπόσπαστο κομμάτι του ηλιακού μας συστήματος και πιθανότατα φιλοξενεί πολλά εκατομμύρια πυρήνων κομητών μακράς περιόδου. Στο εσωτερικό νέφος του Oort έχουν εντοπιστεί αρκετά αντικείμενα με τη Sedna(4η εικόνα) να αποτελλεί σήμερα νάνο πλανήτη.  Η Sedna με ακτίνα 600-800 km και περίοδο περιφοράς περί τον ήλιο 11518 χρόνια, έχει πολύ μεγάλη εκκεντρότητα e = 0,85 με αποτέλεσμα στο περιήλιό της να πλησιάζει τον ήλιο στις 76,34 AU και στο αφήλιο να απομακρύνεται στις 943,7 AU.

 Τελικά πόσο μεγάλο είναι το ηλιακό μας σύστημα; Άλλοι το φέρνουν μέχρι περίπου 1 ε.φ όπου και τελειώνει το νέφος του Oort και άλλοι ακόμα και στα 2 ε.φ.

ΗΛΙΟΠΑΥΣΗ – ΗΛΙΟΣΦΑΙΡΑ                                              

Ενώ το βαρυτικό πεδίο του ήλιου μας κυριαρχεί μέσα σε μία εντελώς απροσδιόριστη σφαίρα Hill, το μαγνητικό του πεδίο κυριαρχεί μέσα σε μία σφαίρα σχετικά καλά προσδιορισμένη. Πιό συγκεκριμένα το μαγνητικό πεδίο του ήλιου κυριαρχεί μέχρι η πίεση του ηλιακού ανέμου ισορροπήσει με την πίεση του διαστρικού μέσου. Τα σημεία του χώρου που ισορροπούν οι δύο πιέσεις συνθέτουν την ηλιόπαυση και το εσωτερικό της ηλιόπαυσης ονομάζεται ηλιόσφαιρα ή μαγνητόσφαιρα. Από τον Μάιο του 2012 το Voyager 1 κατέγραψε σημαντική αύξηση κοσμικής ακτινοβολίας ενώ αρχές Σεπτεμβρίου κατέγραψε 2 ηλιακά πρωτόνια ανά sec ένατι 25 τον Αύγουστο. Με βάση αυτά τα στοιχεία εικάζεται ότι πέρασε την ηλιόπαυση στις 25 Αυγούστου 2012 ενώ απείχε 121 AU από τον ήλιο. Ακολούθησε το Voyager 2 στις 5 Νοεμβρίου 2018 όταν πέρασε την ηλιόπαυση ενώ απείχε 119 AU από τον ήλιο. Παρά το γεγονός ότι και μετά την ηλιόπαυση είναι ηλιακό σύστημα θεωρούμε ότι τα 2 Voyager κινούνται στον διαστρικό χώρο καθώς διέρχονται μέσα από το διαστρικό μέσο χωρίς καμία επαφή με το ηλιακό πλάσμα.

Τελικά πόσο καλά γνωρίζουμε το ηλιακό μας σύστημα; Η ερώτηση σηκώνει πολύ κουβέντα. Επί της ουσίας όμως έχουμε πάρα πολύ δρόμο μπροστά μας και πάντα σε συνάρτηση με τα κονδύλια που διατίθενται για κάποια project που δε φαίνεται να έχουν ανταποδοτικά οφέλη παρά μόνο επιστημονικό ενδιαφέρον.