Είτε πρόκειται για την αποστολή διαστημοπλοίων σε άλλους πλανήτες, είτε για την οδήγηση ρόβερ στον Άρη, είτε για την ανακάλυψη του από τι είναι φτιαγμένοι οι πλανήτες ή πόσο βαθείς είναι οι εξωγήινοι ωκεανοί, ο αριθμός π (Pi στα αγγλικά) μας οδηγεί μακρυά στη NASA. Ακολουθούν μερικοί μόνο από τους τρόπους με τους οποίους το π μας βοηθάει να εξερευνήσουμε το διάστημα.
Αλεξίπτωτο στον Άρη
Αν και καμία προσγείωση στον Άρη δεν είναι ακριβώς ίδια, έχουν όλες ένα κοινό χαρακτηριστικό: τα αλεξίπτωτα. Η επιβράδυνση ενός σκάφους προσεδάφισης καθώς πέφτει μέσα στην αραιή ατμόσφαιρα του Άρη είναι επιβεβλημένη, ώστε οι μηχανικοί να επιβραδύνουν το διαστημόπλοιο αρκετά για να δώσουν χρόνο στους πυραύλους καθόδου για μια μαλακή προσγείωση. Οι μηχανικοί της NASA λαμβάνουν υπόψη τους ένα σωρό πράγματα όταν σχεδιάζουν ένα αλεξίπτωτο: τη μάζα και την ταχύτητα του διαστημικού σκάφους, το υψόμετρο του σημείου προσγείωσης, την πυκνότητα της ατμόσφαιρας, κ.α.. Το π τους βοηθά να καθορίσουν πόσο μεγάλο πρέπει να είναι το αλεξίπτωτο για να δημιουργήσει την αντίσταση που απαιτείται για την επιβράδυνση.
Νέες προοπτικές για τον Κρόνο
Το διαστημικό σκάφος Cassini της NASA πέρασε 13 χρόνια σε τροχιά γύρω από τον Κρόνο, ανακαλύπτοντας θάλασσες και πίδακες υδάτινου πάγου στα φεγγάρια του και παρατηρώντας τους μαγευτικούς δακτυλίους του. Δύο φορές κατά τη διάρκεια της αποστολής, οι μηχανικοί χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται μεταφορά π για να αλλάξουν την τροχιά του διαστημικού σκάφους. Με μια κατευθυνόμενη πτήση από το μεγαλύτερο φεγγάρι του Κρόνου, τον Τιτάνα, η τροχιά του Cassini αντιστράφηκε κατά 180 μοίρες προς την αντίθετη πλευρά του πλανήτη (σε ακτίνια, οι 180 μοίρες είναι ίσες με το π, εξ ου και η ονομασία μεταφορά π). Με τις συνθήκες θέασης να έχουν επίσης αντιστραφεί κατά 180 μοίρες, από την οπτική γωνία του Cassini, το διαστημικό σκάφος μπόρεσε να δει τον Κρόνο και τον Τιτάνα υπό ένα εντελώς νέο πρίσμα.
Χαρτογράφηση ανεξερεύνητων (και οικείων) κόσμων
Ακριβώς όπως οι αρχαίοι εξερευνητές της Γης, έτσι και τα διαστημόπλοια όταν επισκέπτονται άλλους πλανήτες και κόσμους, φτιάχνουν έναν χάρτη. Ακόμη και διαστημικά σκάφη που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από οικεία μέρη, όπως η Γη, δημιουργούν χάρτες των διαδικασιών που οι επιστήμονες θέλουν να κατανοήσουν, όπως πχ το πώς ρέει το νερό σε όλο τον πλανήτη. Τα διαστημόπλοια δημιουργούν χάρτες λαμβάνοντας εικόνες κατά τη διάρκεια της τροχιάς τους. Οι κάμερες τους έχουν συχνά ορθογώνια οπτικά πεδία που καταγράφουν εικόνες σε "ζώνες" στην επιφάνεια ενός πλανήτη. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το π στον τύπο της επιφάνειας για να υπολογίσουν πόσες εικόνες θα χρειαστούν για να χαρτογραφήσουν ολόκληρο τον πλανήτη ή το σώμα!
Προσγείωση στον Άρη
Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν το π για να εκτιμήσουν το μέγεθος της αβεβαιότητας στη θέση στην οποία θα προσγειωθεί ένα σκάφος προσεδάφισης ή ένα ρόβερ στον Άρη. Πολλές πτυχές της προσγείωσης στον Άρη είναι αβέβαιες: άνεμοι, πυκνότητα αέρα, αρχική ταχύτητα και θέση του διαστημικού σκάφους κατά την προσέγγιση του Άρη από τη Γη. Ακόμη και η ακριβής θέση του ίδιου του Άρη δεν είναι απόλυτα γνωστή. Πριν από την προσεδάφιση στον Άρη, οι περισσότερες από αυτές τις αβεβαιότητες μπορούν να μοντελοποιηθούν χρησιμοποιώντας μαθηματικές κατανομές που περιλαμβάνουν το π στους υπολογισμούς. Όταν προσομοιώνονται μαζί, το αποτέλεσμα μπορεί να είναι ολόκληρα... χιλιόμετρα αβεβαιότητας θέσης γύρω από το στοχευμένο σημείο προσγείωσης. Οι μηχανικοί λαμβάνουν υπόψη τους αυτή την αβεβαιότητα και προσέχουν πού στοχεύουν! Για παράδειγμα, μπορούν να στοχεύουν κοντά, αλλά όχι πολύ κοντά σε ένα βουνό, όπως έκαναν με το ρόβερ Curiosity στον Άρη, το οποίο προσγειώθηκε κοντά στο όρος Sharp.
Εξερευνώντας νέους κόσμους
Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το π για να αναζητήσουν εξωπλανήτες, δηλαδή πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από άστρα διαφορετικά από τον δικό μας Ήλιο. Ισχυρά επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια παρακολουθούν πόσο φως εκπέμπεται από μακρινά άστρα. Όταν ένας πλανήτης περνά μπροστά από το άστρο του, το τηλεσκόπιο βλέπει μια πτώση στην ποσότητα του εκπεμπόμενου φωτός. Γνωρίζοντας το ποσοστό αυτής της μείωσης και τον τύπο για το εμβαδόν ενός κύκλου, οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν το μέγεθος του πλανήτη!
Ανακαλύπτοντας δυνητικά κατοικήσιμους κόσμους
Όταν οι επιστήμονες ανακαλύπτουν νέους εξωπλανήτες, ένα από τα πράγματα που θέλουν να μάθουν είναι αν αυτοί οι κόσμοι θα μπορούσαν να υποστηρίξουν τη ζωή όπως την ξέρουμε. Αυτοί οι "δυνητικά κατοικήσιμοι" κόσμοι βρίσκονται σε τροχιά εντός της λεγόμενης κατοικήσιμης ζώνης των μητρικών τους άστρων, μια θέση που βρίσκεται σε ασφαλή απόσταση από το άστρο, όχι πολύ κοντά, όπου το νερό θα μετατρεπόταν σε αέριο, και όχι πολύ μακριά, όπου θα γινόταν πάγος. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το π για να εντοπίσουν το εσωτερικό και το εξωτερικό άκρο της κατοικήσιμης ζώνης γύρω από ένα συγκεκριμένο αστέρι. Επίσης χρησιμοποιούν το π, μαζί με τον τρίτο νόμο του Κέπλερ, για να υπολογίσουν πόσο χρόνο χρειάζεται ο εξωπλανήτης για να κάνει μια πλήρη περιφορά γύρω από το άστρο του, η οποία αποκαλύπτει τη θέση του πλανήτη και αν βρίσκεται στην κατοικήσιμη ζώνη!
Εντοπισμός σεισμών στον Άρη
Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το π για να μελετήσουν τους σεισμούς και, σύντομα, τους σεισμούς του Άρη! Η αποστολή InSight της NASA στον Άρη είναι εξοπλισμένη με ένα όργανο μέτρησης της σεισμικής δραστηριότητας στον Κόκκινο Πλανήτη, το οποίο θα μας πει περισσότερα για το τι συμβαίνει στο εσωτερικό του πλανήτη. Κατά τη διάρκεια ενός σεισμού στον Άρη (οι σεισμοί αυτοί στα αγγλικά λέγονται Marsquake), τα επιφανειακά κύματα, που είναι ένας τύπος σεισμικού κύματος, ταξιδεύουν από το επίκεντρο προς όλες τις κατευθύνσεις στον Άρη. Χρονομετρώντας την άφιξη αυτών των επιφανειακών κυμάτων στο σκάφος προσεδάφισης InSight και χρησιμοποιώντας τον αριθμό π, οι επιστήμονες μπορούν να προσδιορίσουν την ώρα που συνέβη ο σεισμός!
Μιλώντας σε διαστημόπλοιο
Η αποστολή μηνυμάτων σε μακρινά διαστημόπλοια και η λήψη τους απαιτεί ένα δίκτυο τεράστιων κεραιών τοποθετημένων σε όλη την υδρόγειο, έτσι ώστε, καθώς ο κόσμος γυρίζει, να μη χάνουμε ποτέ την επαφή. Μαζί, αυτές οι κεραίες αποτελούν το Deep Space Network της NASA (DSN). Οι μηχανικοί που επικοινωνούν με τα διαστημόπλοια μέσω του DSN χρησιμοποιούν το π στις μαθηματικές εξισώσεις που απαιτούνται για την αποστολή μηνυμάτων και την επεξεργασία των μηνυμάτων που αποστέλλονται. Πρόκειται για ένα πολύ σημαντικό έργο, δεδομένου ότι τα μηνύματα χρησιμοποιούνται για καταστάσεις όπως η προσεδάφιση ενός ρόβερ στον Άρη και η λήψη εικόνων από ένα διαστημικό σκάφος που πετάει για πρώτη φορά κοντά στον Πλούτωνα!
Οδηγώντας ρόβερ στον Άρη
Δεν υπάρχουν joysticks ή τιμόνια στα ρόβερ του Άρη. Αντίθετα, τα ρόβερ λαμβάνουν εντολές από χειριστές στη Γη που τους λένε πότε και πώς να οδηγούν, να τραβούν φωτογραφίες, να γυρίζουν τους τροχούς τους και να χρησιμοποιούν τους ρομποτικούς βραχίονες τους. Ορισμένες από αυτές τις συναρτήσεις μετρώνται σε μοίρες και άλλες σε ακτίνια (φέτες ενός κύκλου), οπότε το π χρησιμοποιείται τακτικά για τη μετατροπή μεταξύ των δύο.
Θέση διαστημικού σκάφους σε τροχιά
Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν το π για να θέσουν διαστημόπλοια σε τροχιά γύρω από άλλους πλανήτες. Για να γίνει αυτό, πρέπει να επιβραδύνουν το διαστημόπλοιο αρκετά και ακριβώς την κατάλληλη στιγμή, ώστε να έλθει σε τροχιά από τη βαρύτητα του πλανήτη. Οι μηχανικοί καθορίζουν πόσο η βαρύτητα θα τραβήξει το διαστημόπλοιο, πόσο γρήγορα θα κινείται το διαστημόπλοιο και τις λεπτομέρειες της νέας τροχιάς. Χρησιμοποιώντας αυτούς τους αριθμούς, μαζί με το π, μπορούν να υπολογίσουν ακριβώς πόσο πρέπει να φρενάρουν, που για ένα διαστημόπλοιο ουσιαστικά σημαίνει να πυροδοτηθούν οι προωθητήρες του προς τα εμπρός την κατάλληλη στιγμή.
Παρακολούθηση των κινήσεων των αστεροειδών
Μία από τις εργασίες των κυνηγών κομητών και αστεροειδών, όπως εκείνων του Κέντρου για τα Αντικείμενα Κοντά στη Γη της NASA, είναι να προσδιορίζουν πόσο γρήγορα περιστρέφεται ένα αντικείμενο. Από τις παρατηρήσεις τους στο αντικείμενο, οι επιστήμονες μπορούν να εκτιμήσουν πόσο χρόνο χρειάζεται το αντικείμενο για να κάνει μια πλήρη περιστροφή γύρω από τον άξονά του. Στη συνέχεια, η μετατροπή μονάδων χρησιμοποιείται για να βρεθεί η γωνιακή ταχύτητα του αντικειμένου, η οποία συχνά μετριέται σε ακτίνια ανά δευτερόλεπτο.
Διατήρηση περιστροφής των τροχών του ρόβερ
Οι τροχοί των Rover έχουν ξεχωριστά σχέδια πάνω τους που αφήνουν εξίσου σχέδια στο έδαφος καθώς γυρίζουν. Αυτά τα μοτίβα χρησιμεύουν ως οπτικοί δείκτες που βοηθούν τους χειριστές κατά την οδήγηση των ρόβερ του Άρη από απόσταση από τη Γη. Το Pi χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της απόστασης που πρέπει να διανύσει το όχημα με κάθε περιστροφή του τροχού. Μετρώντας την απόσταση από το ένα σημάδι του τροχού στο άλλο, οι οδηγοί του rover μπορούν να διαπιστώσουν αν οι τροχοί γλιστρούν ή αν έχουν διανύσει την αναμενόμενη απόσταση.
Διερεύνηση του εξωγήινου πάγου
Οι επιστήμονες που μελετούν ακραία περιβάλλοντα, όπως αυτά των κομητών και των φεγγαριών του Δία και του Κρόνου, θέλουν να μάθουν πώς εξελίσσονται οι διεργασίες στις επιφάνειές τους. Στην περίπτωση των παγωμένων περιβαλλόντων, ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι η χρήση λέιζερ στο εργαστήριο για την έκρηξη δειγμάτων πάγου και στη συνέχεια η μελέτη της χημικής αντίδρασης που λαμβάνει χώρα. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το π για να υπολογίσουν το πλάτος της δέσμης του λέιζερ και να καταλάβουν πόση ενέργεια προσπίπτει στο δείγμα πάγου τους.
Ανεφοδιασμός διαστημικού σκάφους
Ακριβώς όπως τα αυτοκίνητα, έτσι και τα διαστημόπλοια χρειάζονται καύσιμα για να φτάσουν εκεί που πηγαίνουν και να ελίσσονται καθ' όλη τη διάρκεια του ταξιδιού τους. Αλλά στο διάστημα, δεν υπάρχει ανεφοδιασμός κατά τη διάρκεια της διαδρομής, ούτε... βενζινάδικα. Ο προσδιορισμός της ποσότητας καυσίμου που θα χρειαστεί ένα διαστημικό σκάφος και της ποσότητας που έχει καταναλώσει είναι ένα κρίσιμο έργο, που πρέπει να γίνει πριν την αποστολή. Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν το π για να υπολογίσουν πόσα καύσιμα είναι διαθέσιμα στις δεξαμενές των διαστημοπλοίων, οι οποίες είναι συνήθως σφαιρικές, και πόσο γρήγορα αυτό το καύσιμο ταξιδεύει μέσα από τις κυλινδρικές γραμμές καυσίμου. Ακόμα και οι δεξαμενές σε σχήμα ντόνατ (τοροειδείς), οι οποίες μπορούν να χωρέσουν πολύ καύσιμο αλλά καταλαμβάνουν πολύ λιγότερο χώρο, απαιτούν τη χρήση του αριθμού π.
Μέτρηση του μεγέθους της καρδιάς του Πλούτωνα
Μελετώντας τις επιφάνειες άλλων κόσμων, ακόμη και της Γης, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το π για να προσδιορίσουν το μέγεθος των χαρακτηριστικών της επιφάνειας. Για να υπολογίσουμε κυκλικά σχήματα, όπως οι κρατήρες, τα μαθηματικά είναι απλά, ενώ για ασυνήθιστα σχήματα, όπως η "καρδιά" του Πλούτωνα, απαιτείται τριγωνομετρία ή μαθηματικός λογισμός.
Αποκαλυπτικά στοιχεία για τον κρατήρα
Οι κρατήρες μπορούν να πουν στους επιστήμονες πολλά για τις επιφάνειες των πλανητών, των φεγγαριών και άλλων σωμάτων. Απλά προσδιορίζοντας πόσο κυκλικός είναι ένας συγκεκριμένος κρατήρας, χρησιμοποιώντας το π, την περίμετρο και το εμβαδόν του κρατήρα, οι πλανητικοί γεωλόγοι μπορούν να αποκαλύψουν στοιχεία σχετικά με το πώς σχηματίστηκε ο κρατήρας και την επιφάνεια που επηρεάστηκε!
Αποκαλύπτοντας από τι είναι φτιαγμένοι οι πλανήτες και οι αστεροειδείς
Πώς ανακαλύπτουν οι επιστήμονες από τι είναι φτιαγμένοι άλλοι πλανήτες και αστεροειδείς, αν δεν μπορούν να τους επισκεφθούν αυτοπροσώπως; Χρησιμοποιώντας το π, φυσικά. Οι πλανητικοί επιστήμονες χρησιμοποιούν το π για να προσδιορίσουν τον όγκο των βραχωδών πλανητών ή αστεροειδών. Ο όγκος, σε συνδυασμό με τη μάζα του αντικειμένου, τους δείχνει την πυκνότητά του. Και επειδή τα πλανητικά υλικά όπως ο βράχος, ο πάγος και το μέταλλο έχουν γνωστές πυκνότητες, οι επιστήμονες μπορούν να κάνουν τεκμηριωμένες υποθέσεις σχετικά με το από τι μπορεί να αποτελείται ο πλανήτης ή ο αστεροειδής με βάση την πυκνότητα του αντικειμένου.
Κοιτάζοντας κάτω από τα σύννεφα του Δία
Ένας από τους τρόπους με τους οποίους οι επιστήμονες μελετούν τι συμβαίνει στο εσωτερικό των πυκνών στροβιλιζόμενων νεφών στους γίγαντες των αερίων πλανητών, όπως ο Δίας και ο Κρόνος, είναι η αποστολή διαστημοπλοίων που μπορούν να αναλύσουν τη χημική σύσταση αυτών των κόσμων. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το π σε συνδυασμό με τα δεδομένα των αισθητήρων του διαστημικού σκάφους για να εκτιμήσουν τον όγκο των υλικών στην ατμόσφαιρα του πλανήτη. Για παράδειγμα, το 1995, το διαστημικό σκάφος Galileo έριξε έναν ανιχνευτή στον Δία και εντόπισε ασυνήθιστα χαμηλά επίπεδα του στοιχείου ηλίου στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Αφού μελέτησαν τα δεδομένα, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι το ήλιο θα μπορούσε να πέφτει σαν βροχή από το ανώτερο επίπεδο της ατμόσφαιρας του Δία και ότι το π ήταν το κλειδί για το πόσο. Σήμερα, το διαστημικό σκάφος Juno, το οποίο έφτασε στον Δία το 2016, βοηθά τους επιστήμονες να αποκτήσουν μια ακόμη καλύτερη εικόνα για το τι συμβαίνει στο εσωτερικό του πλανήτη...