Κατασκήνωση κάτω από τα αστέρια — η Κατασκήνωση Αστρονομίας του ESO 2013

Στις 26 Δεκεμβρίου 2013, μια εποχή του έτους που οι νύχτες είναι μεγάλες και καθαρές στις Άλπεις, 56 μαθητές γυμνασίου από 18 χώρες έφτασαν στον προορισμό τους: στο γραφικό αλπικό χωριό του Αγίου Βαρθολομαίου, Ιταλία, εκτυφλωτικά φωτεινό κάτω από το φρέσκο πασπαλισμένο χιόνι.

Οι συμμετέχοντες γρήγορα γνωρίστηκαν, μοιράστηκαν ιστορίες και σύντομα γελούσαν όλοι μαζί. Όλοι ανυπομονούσαν να αρχίσουν αυτή την μοναδική εβδομάδα στη πρώτη Κατασκήνωση Αστρονομίας^w1 του ESO, που φιλοξενούνταν από το Αστεροσκοπείο της Αυτόνομης Περιφέρειας της κοιλάδας Αόστα (OAVdA).

Το πρώτο βράδυ, ένας παγκόσμιος χάρτης αναρτήθηκε στην αίθουσα διαλέξεων και όλοι σημείωσαν την χώρα καταγωγής τους. Με όλες τις ετικέτες, ο χάρτης φαινόταν πολύχρωμος — ακριβώς όπως και το Σύμπαν για το οποίο οι μαθητές με το ανήσυχο πνεύμα επρόκειτο να μάθουν.

Το πρόγραμμα της κατασκήνωσης εξερεύνησε το θέμα του ορατού και αόρατου Σύμπαντος μέσα από διαλέξεις, πρακτικές δραστηριότητες, και νυχτερινές παρατηρήσεις με τηλεσκόπια και  όργανα του αστεροσκοπείου.

Κοινωνικές δραστηριότητες, χειμερινά σπορ, μια παράσταση στο πλανητάριο και πολυπολιτισμικές συναντήσεις για τσάι συνέβαλαν στο να κάνουν την κατασκήνωση μια αξέχαστη εμπειρία για τους συμμετέχοντες.

Μέρος του ενθουσιασμού προήλθε από την ευκαιρία να περάσουν τον χρόνο τους με επαγγελματίες αστρονόμους, που όχι μόνο μοιράστηκαν την γνώση τους και τον ενθουσιασμό τους με τους μαθητές κατά την διάρκεια των δραστηριοτήτων αλλά που ήταν επίσης τόσο υπερφορτωμένοι με ερωτήσεις  κατά την διάρκεια των γευμάτων που είχαν λίγη ευκαιρία να φάνε το νόστιμο φαγητό που είχε ετοιμαστεί από το προσωπικό του ξενώνα!

Κοιτάζοντας την θερμοκρασία

Το πρόγραμμα ξεκίνησε με μια εισαγωγή στο οπτικό φως και μια εξήγηση για το πώς να ερμηνεύσεις το φως που φτάνει από τα αστέρια για να υπολογίσεις τις θερμοκρασίες τους.

Το φάσμα ενός αστεριού είναι ένα φάσμα απορρόφησης: η αστρική φωτόσφαιρα – το λεπτό στρώμα στο οποίο το αστρικό αέριο υφίσταται την μετάβαση από αδιαφανές σε διαφανές και όπου το φως μπορεί να δραπετεύσει στο διάστημα – εκπέμπει φως σε όλα τα μήκη κύματος, αλλά μερικά συγκεκριμένα μήκη κύματος  απορροφώνται από τα στοιχεία στην επιφάνεια του αστεριού. Αυτή η απορρόφηση δημιουργεί μαύρες γραμμές στο φάσμα από μήκη κύματος που λείπουν.

Επιπλέον, το χρώμα του αστεριού – η, για να είμαστε πιο ακριβείς, η μέγιστη λαμπρότητα του φάσματος – εξαρτάται από την θερμοκρασία της αστρικής φωτόσφαιρας: μετατοπίζεται προς το μπλε αν το αστέρι είναι πιο θερμό και προς το κόκκινο αν είναι πιο ψυχρό, όπως εξηγείται από του νόμους του μελανού σώματος (δείτε το κουτί παρακάτω).

Οι νόμοι του μελανού σώματος δηλώνουν ότι ένα ζεστό, πυκνό και αδιαφανές αέριο εκπέμπει ένα συνεχές φάσμα μηκών κύματος του οποίου η μέγιστη λαμπρότητα μετακινείται προς τα μικρότερα μήκη κύματος όταν αυξάνεται η θερμοκρασία. Επειδή το μπλε φως έχει μικρότερο μήκος κύματος από το κόκκινο φως, το χρώμα που βλέπουμε από ένα αστέρι μετατοπίζεται από το κόκκινο για τα πιο ψυχρά αστέρια στο πορτοκαλί, κίτρινο, άσπρο (όταν το μέγιστο της λαμπρότητας είναι στο πράσινο, τα αστέρια στην πραγματικότητα φαίνονται λευκά) και τελικά μπλε για τα πιο θερμά αστέρια.

Ακριβέστερα, τα συγκεκριμένα μήκη κύματος που απορροφώνται από τα χημικά στοιχεία στην επιφάνεια του αστεριού αντιστοιχούν στην ποσότητα της ενέργειας που τα ηλεκτρόνια στα άτομα αυτών των χημικών στοιχείων χρειάζονται για να φτάσουν σε ένα υψηλότερο επίπεδο ενέργειας.  Τα επίπεδα ενέργειας  που κατέχουν τα ηλεκτρόνια διαφέρουν από άτομο σε άτομο και επίσης εξαρτώνται από την θερμοκρασία του αερίου.

Επειδή  διάφορα αστέρια έχουν παρόμοιες χημικές συστάσεις, τα απορροφώμενα μήκη κύματος  εξαρτώνται κυρίως από την θερμοκρασία. Έτσι, με μια πρώτη προσέγγιση , μπορούμε να θεωρήσουμε ότι και τα δύο, και το χρώμα του αστεριού και οι μαύρες γραμμές στο φάσμα τους, εξαρτώνται από την θερμοκρασία του. Το χρώμα και οι γραμμές συσχετίζονται: τα μπλε αστέρια δείχνουν ορισμένες γραμμές και τα κόκκινα άλλες.

Η Ταξινόμηση του Χάρβαρντ

Οι αστρονόμοι κατάλαβαν αυτήν την  ζωτικής σημασίας συσχέτιση στο δεύτερο μισό του 19^ου αιώνα, και καθιέρωσαν τις λεγόμενες φασματικές ταξινομήσεις. Η πιο σημαντική, η επονομαζόμενη Ταξινόμηση του Χάρβαρντ, δημιουργήθηκε στην αρχή του 20^ου αιώνα και χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα με πολύ λίγες αλλαγές.

Η Ταξινόμηση του Χάρβαρντ περιέχει επτά  κύριες κατηγορίες: O, B, A, F, G, K και M, κατά φθίνουσα σειρά της θερμοκρασίας:

• Τα O και B αστέρια είναι μπλε;
• Τα A αστέρια είναι λευκά;
• Τα F και G αστέρια είναι κίτρινα;
• Τα K αστέρια είναι πορτοκαλί;
• Τα Μ αστέρια είναι κόκκινα.

Κάθε κατηγορία διαιρείται περαιτέρω σε 10 τύπους, που αναφέρονται με τους αριθμούς από το 0 ως το 9, όπου 0 είναι το πιο θερμό και 9 το πιο ψυχρό. Έτσι έχουμε αστέρια που είναι τύπου A0 (Vega), G2 (Ήλιος) και K5 (Aldebaran), παραδείγματος χάριν.

Επιπλέον, αστέρια της ίδιας θερμοκρασίας μπορούν να έχουν διαφορετικές ακτίνες και φωτεινότητες. Για να εκφράσουν αυτές τις διαφορές, μια ταξινόμηση φωτεινότητας με Λατινικούς αριθμούς συμπληρώνει την Ταξινόμηση του Χάρβαρντ:

• Ia είναι λαμπροί υπεργίγαντες ;
• Ib είναι λιγότερο λαμπροί υπεργίγαντες ;
• II είναι λαμπροί γίγαντες ;
• III είναι γίγαντες ;
• IV είναι υπογίγαντες ;
• V είναι νάνοι.

Η Φωτεινότητα έχει επίσης μια μικρή επίδραση στα φάσματα, αλλά αυτό δεν εξηγήθηκε με λεπτομέρειες στην κατασκήνωση.

Η σχέση ανάμεσα στο χρώμα του αστεριού και τις φασματικές γραμμές σημαίνει ότι κάθε κατηγορία στην Ταξινόμηση του Χάρβαρντ χαρακτηρίζεται από γραμμές που είναι τυπικές της θερμοκρασίας αυτής της κατηγορίας:

• τα πολύ θερμά αστέρια δείχνουν γραμμές ηλίου;
• τα μετρίως θερμά αστέρια δείχνουν γραμμές υδρογόνου (η αποκαλούμενη Σειρά Balmer, όπου οι γραμμές υποδεικνύονται με τα σύμβολα Ha, Hb, Hg, Hd …);
• τα μετρίως ψυχρά αστέρια δείχνουν γραμμές ουδέτερων και ιονισμένων μετάλλων;
• τα πολύ ψυχρά αστέρια δείχνουν γραμμές ουδέτερων μετάλλων και μοριακές ζώνες.

Και πολλά περισσότερα…

Την πρώτη μέρα, ζητήθηκε από τους μαθητές να διαλέξουν τον αγαπημένο τους αστέρι από μια φωτογραφία του χειμερινού ουρανού, και να υπολογίσουν την θερμοκρασία του και την μέγιστη εκπομπή του με βάση τα ταξινομημένα σε πίνακα φάσματά τους.

Το βράδυ, ομάδες μαθητών  είχαν την δυνατότητα να χειριστούν έναν φασματογράφο  και μια κάμερα συσκευής συζευγμένου φορτίου (μια CCD κάμερα)  συνδεδεμένη σε ένα από τα εκπαιδευτικά τηλεσκόπια, και να συλλάβουν τα φάσματα διαφόρων αγαπημένων αστεριών, μεταξύ αυτών και του Aldebaran, Betelgeuse, Dubhe, Mirphak και Sirius.

Αυτά τα φάσματα που μόλις παρατηρήθηκαν χρησιμοποιήθηκαν στην συνέχεια την επόμενη μέρα για να υπολογίσουν τις θερμοκρασίες των αστεριών και να τα ταξινομήσουν. Οι μαθητές αποδείχθηκαν εξαιρετικοί συνεργάτες. Μπορείτε να κατεβάσετε την βήμα προς βήμα επεξήγηση του πώς να εφαρμόσετε αυτήν την δραστηριότητα στην τάξη σας, μαζί με τα φάσματα διαφόρων αστεριών, από την ιστοσελίδα ^w2 του Science in School.

Με κάθε διάλεξη και κάθε δραστηριότητα, οι αστρονόμοι άνοιξαν νέα παράθυρα στο Σύμπαν αφήνοντας τους μαθητές να το δουν σε ένα διαφορετικό φως. Η περιέργεια ήταν στην ατμόσφαιρα, και ερωτήσεις προέκυψαν και απαντήθηκαν για το υπέρυθρο, το ράδιο, το υπεριώδες και των ακτίνων-Χ Σύμπαν. 

Μερικές άλλες δραστηριότητες βασισμένες σε υγιή ανταγωνισμό χρησιμοποιήθηκαν για να συμβάλλουν στην ανάπτυξη της συνεργασίας.  Ο διαγωνισμός Antares, για παράδειγμα, προκάλεσε τους μαθητές να χρησιμοποιήσουν τις γραμμές απορρόφησης στα φάσματα για να ταξινομήσουν έναν αριθμό από γνωστά και λιγότερο γνωστά αστέρια σύμφωνα με το σύστημα Ταξινόμησης Χάρβαρντ. Το τουρνουά με την τεχνολογία του μη-φούρνου μικροκυμάτων ήταν μια άλλη δραστηριότητα που απασχόλησε έξι ομάδες μετρώντας από ποια διεύθυνση προήρθε το συγκεκριμένο σήμα που λήφθηκε από μια κεραία.

Η κατασκήνωση ολοκληρώθηκε καθώς ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός πέρασε πάνω από τα κεφάλια μας, με ένα αξέχαστο παραδοσιακό εορταστικό δείπνο και δώρα αστρονομίας και βραβεία από το ESO. Ο χρόνος πέταξε αλλά η ανάμνηση των δραστηριοτήτων και των φιλιών της κατασκήνωσης  θα παραμείνουν για πάντα. Ήδη ανυπομονούμε για την κατασκήνωση^w3 της επόμενης χρονιάς!

Ευχαριστίες

Ιδιαίτερες ευχαριστίες στους επιτηρητές της κατασκήνωσης Emily, Koen, Lorenzo και Mariona (επίσης για το κείμενο του blog και τις φωτογραφίες), και στους αστρονόμους της κατασκήνωσης για τις φανταστικές τους διαλέξεις και δραστηριότητες: Davide Cenadelli (Αστεροσκοπείο του Aosta Valley), Enzo Bertolini (Αστεροσκοπείο του Aosta Valley), Lars Lindberg Christensen (ESO), Andrea Bernagozzi, Paolo Pellissier και Paolo Recaldini (Αστεροσκοπείο του Aosta Valley), Anna Wolter (ESO/INAF), Juan Fabregat (Πανεπιστήμιο της Valencia), Aniello Mennella και Paola Battaglia (Πανεπιστήμιο του Μιλάνου).