Das Universum ist fast unvorstellbar groß, aber wir sind weit gekommen, um es auf eine Größe zu reduzieren, die wir verstehen können, hauptsächlich aufgrund einer seltenen Konjunktion der Erde, der Sonne und des Planeten Venus.
Dieses Ereignis ist als Venustransit bekannt und hat sich in den 400 Jahren seit dem nur sieben Mal ereignet.Erfindung des Teleskops, der letzte Transit fand im Juni 2012 statt. Heute geborene Kinder werden gut 90 Jahre alt sein, wenn der nächste Transit im Dezember 2117 stattfindet.
Die Seltenheit dieses Ereignisses machte den Venustransit von 1769 so wichtig, dass sich eine internationale Gemeinschaft von Wissenschaftlern zusammenschloss und Expeditionen unternahm, um ihn aus der ganzen Welt zu beobachten. Ihr Ziel: endlich das jahrtausendealte Rätsel um die Größe von zu lösenunser Universum.
Vergrößern Sie den Himmel
Wenn Sie zum Nachthimmel aufblicken, profitieren Sie von Jahrhunderten astronomischen Kenntnissen, die Ihnen sagen, dass die Sterne, die Sie sehen, Hunderte oder Tausende von Lichtjahren entfernt sind – einige könnten sogar seinQuasare im Herzen von Millionen Lichtjahren entfernten Galaxien.
Sie können den Mond betrachten, die inneren Planeten sehen, die sich in der Dämmerung am Horizont schmiegen, oder den rot gefärbten Mars zusammen mit Jupiter und Saturn sehen und wissen, wie weit all diese Himmelskörper von Ihrem Standort entfernt sind.
Dies war jedoch nicht immer der Fall. Antike griechische Astronomen waren die ersten, die ihre Versuche aufzeichneten, die Größe unserer stellaren Nachbarschaft zu messen, und es gelang ihnen in einigen wichtigen Punkten.
Der Astronom Hipparchos nutzte im 2. Jahrhundert vBerechnen Sie die Entfernung zum Mond mit bemerkenswerter Genauigkeit.
Jeder, der schon einmal aus dem Fahrgastfenster eines Autos oder Zuges gestarrt hat, kennt dieses Phänomen sehr gut: Die Büsche, Bäume oder Zaunpfähle sausen wie im Fluge vorbei, aber ein Bauernhaus mitten auf einem Feld, weit weg von der Straße, scheint langsam vorbeizutreiben.
Sie können sogar Ihre beiden Zeigefinger in einer Linie verwenden, eine Hand nahe Ihrem Gesicht und die andere so weit wie möglich ausgestreckt, und ein Auge schließen, dann das andere. Ihr näherer Finger wird wahrscheinlich von der linken Seite abprallender weiter entfernte Finger zur rechten Seite und wieder zurück. Dies ist Parallaxe und war eines der mächtigsten Werkzeuge der frühen Astronomie.
Hipparchus beobachtete den Mond während einer totalen Sonnenfinsternis von einem Ort aus und nutzte die Beobachtungen in einer anderen Stadt, in der die Sonne nur teilweise verfinstert war, um die Mondparallaxe zu bestimmen.
Da ihm die Entfernung zwischen den beiden Städten bekannt war, war es nur eine Frage der Geometrie, die Entfernung zum Mond zu bestimmen, und er war bemerkenswert nah dran, berechnete bis auf sieben Prozent der tatsächlichen durchschnittlichen Entfernung des Mondes von der Erde.
Ein anderer griechischer Astronom, Aristarchos, unternahm einen tapferen Versuch, die Entfernung zur Sonne zu berechnen, nachdem die Entfernung zum Mond den griechischen Astronomen bekannt war.
Richtig verstanden, dass ein Halbmond bedeutet, dass die Erde und der Mond einen rechten Winkel bilden, verwendete Aristarch erneut die Geometrie, um zu versuchen, den Winkel zwischen Sonne und Mond relativ zur Erde zu berechnen mit dem Mond in der ersten Viertelphase, berechnete einen Winkel von 87 Grad. Das war knapp – es sind tatsächlich 89,83 Grad –, aber es war so weit daneben, dass in Kombination mit Hipparchos' siebenprozentigem Fehler und anderen kleineren Abweichungen eine Distanz entstand, die um mehr als den Faktor abweicht1.000.
Spätere Astronomen kamen nach und verfeinerten diese Zahl, aber sie waren immer noch schlecht daneben. Am Ende würde das einzige, was die wahre Entfernung zur Sonne geben würde, die Parallaxe finden, und das war ein Problem, dasJahrhunderte von Astronomen nicht gelöst.
Das Skalenproblem
Sogar die ältesten Astronomen wussten sehr viel über das beobachtbare Sonnensystem. Die inneren Planeten Merkur und Venus sowie Mars, Jupiter und Saturn waren fast genauso lange von chinesischen, babylonischen und antiken griechischen Astronomen bekannt und beobachtet worden.da Aufzeichnungen geführt wurden.
WannJohannes Kepler entdeckte sein drittes Gesetz der Planetenbewegung, er entschlüsselte die relativen Abstände aller beobachtbaren Körper in unserem Sonnensystem, da das Verhältnis der Kubik der mittleren Entfernung eines Objekts zur Sonne und dem Quadrat seiner Umlaufzeit gleich ist füralle Planeten.
Wir wussten also, dass der Mars einen bekannten Prozentsatz der Entfernung zwischen Erde und Jupiter umkreiste. Ebenso waren Venus und Merkur einige bekannte Prozente der Entfernung zwischen Erde und Sonne, aber dies sagte uns nicht wirklich, wie weitweg war tatsächlich alles von der Sonne.
Es konnte uns auch nichts über die Größe von irgendetwas im Sonnensystem sagen. Die Sonnenscheibe ist während einer Sonnenfinsternis fast perfekt vom Mond bedeckt, aber was kann uns das über die Größe der Sonne sagen?
Wenn die Sonne uns näher, aber kleiner wäre, und wenn sie noch weiter entfernt wäre, aber um ein Vielfaches ihrer tatsächlichen Größe, könnten wir den Unterschied nicht erkennen, da sie die gleiche scheinbare Größe hätten.
Ohne eine einzige absolute Zahl, mit der man arbeiten konnte, waren der wahre Maßstab des Sonnensystems, die Größe der Sonne und der Planeten und ihre Entfernungen voneinander frustrierend unerreichbar.
Edmond Halleys Aufruf, den Venustransit zu beobachten
1629 sagte Kepler voraus, dass 1631 zwei Transite stattfinden würden wenn einer der inneren Planeten direkt zwischen Erde und Sonne vorbeiging und somit als Silhouette vor der Sonnenscheibe erscheint – der Merkurtransit im November und der Transit vonVenus im Dezember.
Kepler starb 1630, also konnte er seine Vorhersagen nicht bestätigt sehen, aber seine Zeitgenossen waren sehr daran interessiert, spätere Transite vorherzusagen. Aber erst der schottische Mathematiker James Gregory im Jahr 1663 schien dies gemacht zu habenZusammenhang zwischen der Verwendung von Planetentransits zur Bestimmung der Sonnenparallaxe und der Berechnung der absoluten Entfernung zwischen Erde und Sonne.
1677, Edmond Halleywar an einem Observatorium auf St. Helena im südlichen Atlantik und erstellte eine Sternenkarte des südlichen Himmels. Er konnte den Merkurtransit beobachten und erkannte, dass er zur Berechnung der Sonnenparallaxe verwendet werden konnte.
Indem die Zeit bei bestimmten Ereignissen aufgezeichnet wird – der Moment, in dem die Silhouette eines Planeten die Sonnenscheibe zum ersten Mal berührt, der Moment, in dem die Silhouette eines Planeten vollständig in die Sonnenscheibe eindringt, der Moment, in dem die Silhouette des Planeten den Rand der Sonnenscheibe am gegenüberliegenden Rand berührt undder Moment, in dem die Silhouette des Planeten am Ende des Transits zuletzt die Sonnenscheibe berührt – der Unterschied in den aufgezeichneten Zeiten jedes der vier Ereignisse an verschiedenen Orten könnte verwendet werden, um dieses astronomische Rätsel endgültig zu lösen.
Angesichts der Schwierigkeit, Merkurs Ein- und Austritt von der Sonnenscheibe zu sehen, stellte Halley fest, dass der Venustransit die beste Chance bot, genügend genaue Daten für die Berechnungen aufzuzeichnen. Unglücklicherweise für Halley wurde der nächste Venustransit für 1761 vorhergesagt, mehr als 80 Jahre entfernt. Halley war damals ein junger Mann, aber nicht so jung, dass er wirklich Hoffnung hatte, selbst Beobachtungen anzustellen.
Stattdessen plädierte er mehrmals öffentlich für eine internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit, um den nächsten Transit sowie den kurz darauf folgenden im Jahr 1769 zu beobachten, um die Sonnenparallaxe endgültig zu bestimmen. Wenn sie dies nicht bis 1769 taten, würden die Wissenschaftler nichtbis 1874, fast zwei Jahrhunderte in der Zukunft, eine weitere Chance bekommen.
Halley starb 1742, aber Wissenschaftler auf der ganzen Welt würden bald eingreifen und dort weitermachen, wo er aufgehört hatte.
Internationale Expeditionen gestartet
In den 1760er Jahren war in Europa viel los. England und Frankreich waren damit beschäftigt, den Siebenjährigen Krieg zu bekämpfen, den ersten wirklich globalen Krieg in der Geschichte der Menschheit, daher hätte man die Aussichten auf eine internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit bestenfalls als gering angesehen.
Glücklicherweise stellte sich heraus, dass dies nicht der Fall war, und Wissenschaftler auf der ganzen Welt, unabhängig von ihrer Nationalität, nahmen es auf sich, Halleys Anruf zu beantworten.
"Leider", schreibt Donald Teets 2003 in einem Artikel in Mathematik-Magazin [PDF] über den Transit von 1761,
"Es ist unmöglich, in diesem kurzen Artikel alle Abenteuer derer zu beschreiben, die sich aufmachten, den Transit von 1761 zu beobachten: von Charles Mason und Jeremiah Dixon, die nach Ostindien aufbrachen, aber die Engländer nicht einmal verlassen hattenKanal, als ihr Schiff von einem französischen Kriegsschiff angegriffen wurde, mit 11 Toten und 37 Verwundeten; des Franzosen Chappe, der mit einem Pferdeschlitten 1500 Meilen quer durch Russland nach Tobolsk reiste und einst seine desertierten Führer mit vorgehaltener Waffe zusammentreiben musste; des FranzosenLe Gentil, der durch den Krieg daran gehindert wurde, sein Ziel in Indien zu erreichen, und so gezwungen war, den Transit vom rollenden Deck eines Schiffes im Indischen Ozean aus zu beobachten."
Als der Venustransit 1761 stattfand, zeichneten mindestens 122 Wissenschaftler und Beobachter an 62 verschiedenen Orten auf der ganzen Welt die Zeiten des Ein- und Austritts der Venus auf, die größte internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit, die zu dieser Zeit versucht wurde.
Leider reichten nicht alle Daten für alle Beteiligten aus und lieferten beim Versuch der Berechnung völlig andere Ergebnisse. Weit davon entfernt, sich davon abbringen zu lassen, bemühte sich die internationale wissenschaftliche Gemeinschaft noch mehr, den Venustransit von 1769 genau aufzuzeichnen alswurde 1761 versucht, wohl wissend, dass dies ihre letzte Chance für mehr als 100 Jahre sein würde.
Der zweite Versuch und seine vielen Expeditionen – einschließlich der berühmten Reise von Captain James Cook zur südpazifischen Insel Tahiti, um den Transit zu beobachten, bevor er Australien für das Britische Empire beansprucht und bei dem Versuch stirbt, dasselbe zu tunHawaii – erwies sich als weitaus erfolgreicher.
"Obwohl England bei der Anzahl der Beobachtungen des früheren Transits an dritter Stelle stand", heißt es in der Geschichte des Transits von 1769 der Europäischen Südsternwarte, "kam es mit 69 unterschiedlichen Beobachtungen beim Transit von 1769 an erster Stelle. Frankreich folgte mit nur 34 Beobachtungen, was markierteein Rückgang der wissenschaftlichen Dominanz Frankreichs in Europa. Insgesamt umfasste der Transit von 1769 151 professionelle Beobachtungsteams, die auf 77 Standorte verteilt waren."
Das Geheimnis der kosmischen Skala entschlüsseln
Thomas Hornsby, ein britischer Astronom und Mathematiker in Oxford, gelangte zu den genauesten Berechnungen des Venustransits von 1769.
"Die Parallaxe am 3. Juni beträgt 8,65", die mittlere Parallaxe beträgt = 8,78";" Hornsby schrieb 1771, "und wenn der Halbdurchmesser der Erde angenommen wird = 3985 englische Meilen, die mittlere Entfernungder Erde von der Sonne 93.726.900 englische Meilen betragen."
Unsere genaueste Messung der astronomischen Einheit AE, der mittleren Entfernung zwischen der Erde und der Sonne, beträgt 92.955.000; Teets stellt mit Bewunderung fest, dass Hornsbys Zahl eine Überberechnung von nur 0,8% war.
Da jede andere bekannte Entfernung im Sonnensystem relativ bekannt war, konnte nach der endgültigen Definition der AE jede andere Messung im Sonnensystem schnell berechnet werden, ebenso wie die wahre Größe der Sonne anhand ihres Winkeldurchmessers unddie neue AU.
In unserem Sonnensystem gäbe es noch mehr zu entdecken, einschließlich neuer Planeten, aber das Modell unseres Sonnensystems, das zuerst von Astronomen in der Antike begonnen wurde, setzte sich nach 1769 weitgehend durch.
Die Parallaxenmethode, die sich für die Bestimmung der AU als so wichtig erwiesen hat, würde auch zu einem unverzichtbaren Werkzeug werden, um die Entfernungen der Sterne am Himmel zu untersuchen und die Entfernungen zu Sternen wie Alpha Centauri und Sirius sowie entfernten Galaxien und anderen Himmelsobjekten zu bestimmenim Nachthimmel.
Alles in allem ist die Anstrengung, die Venustransite 1761 und 1769 zu beobachten und aufzuzeichnen, eine unglaubliche Leistung menschlicher Zusammenarbeit, die zeigt, wie viel man mit ein wenig Mathematik erreichen kann, wenn wir alle für ein gemeinsames Ziel zusammenkommen.