Venuspassasje satte mål på solsystemet

Venus svarer til en tommelfinger

To store erkjennelser som kom i løpet av 1600- og 1700-tallet, gjør venuspassasjen i 1769 eks­tremt viktig. I 1619 regner den tyske astronomen Johannes Kepler ut de relative avstandene til de seks planetene som var kjent den gangen – Uranus og Neptun var ikke oppdaget enda.

Ved å bruke Tycho Brahes grundige opptegnelser over hvor på himmelen planetene var på bestemte dager, finner Kepler hvor lang tid hver av dem bruker på en runde rundt sola. Oppdagelsen avslører en matematisk relasjon mellom omløpstid og avstand til sola: Omløpstiden i annen potens delt på avstanden i tredje potens gir alltid det samme tallet.

Prinsippet er kjent som Keplers tredje lov. Kepler kjenner til forholdet mellom planetenes avstand til sola i relative tall. Hvis avstanden mellom jorda og sola fastsettes som den astronomiske enheten som forkortes AU, er avstanden til Venus ifølge Kepler 0,724 AU, bare noen få desimaler fra våre dagers beregninger. Men på den tiden hadde ikke astronomene muligheten til å gjøre de relative verdiene om til absolutte tall.

I 1716 pønsker den engelske astronomen Edmund Halley imidlertid ut en metode for å finne avstanden til sola ved å måle hvor lang tid Venus bruker på å passere over solskiven. Halleys metode er basert på et fenomen som kalles parallakse, som fungerer ut fra et enkelt prinsipp: Ved å holde ut tommelfingeren på strak arm og observere den med henholdsvis det ene og det andre øyet lukket oppstår det en forskyvning av fingeren i forhold til bakgrunnen.

Ut fra forskyvningen og avstanden mellom øynene er det mulig å beregne avstanden til tommelfingeren. Ved en venuspassasje, der planeten passerer mellom sola og jorda, fungerer Venus som tommelfingeren, mens observasjoner fra ulike steder på kloden er de to øynene. En observatør plassert på den nordlige halvkulen vil se Venus passere i en bane som ligger litt lenger sør på sola enn en observatør på den sørlige halvkulen.

Ved å måle tiden Venus bruker på å krysse sola helt nøyaktig, kan astronomene tegne de to banene over sola og måle avstanden mellom den øverste og den nederste.

Når avstanden mellom de to observatørene og mellom de to banene på sola er kjent, vil kryssfeltet mellom observatørenes siktelinjer avsløre posisjonen til Venus. Plasseringen gir en vinkel som – sammen med avstanden mellom de to observatørene – gjør det mulig å beregne avstanden til Venus med enkel trigonometri.

Parallakseberegninger blir fortsatt brukt i dag etter samme prinsipp, for eksempel når Gaia-teleskopet beregner avstanden til stjerner. Her brukes fjernere stjerner som fikspunkt og jordas plassering med et halvt års mellomrom som avstand.

Gjemt bak skyene

Venuspassasjer opptrer i par, med åtte års mellomrom, som er skilt av lange perioder på 121,5 og 105,5 år, og Halley rekker ikke å teste metoden sin selv, for det er ingen venuspassasjer mens han lever. Da Cook drar av sted, vet han at venuspassasjen er nøkkelen til å låse opp alle avstandene i solsystemet.

Hvis Cook kan finne avstanden til Venus, kan han ved hjelp av Keplers tredje lov finne avstanden til sola og dermed regne ut avstanden til alle de andre planetene. Venuspassasjen i 1761 hadde ikke gitt noe resultat, så astronomene har det travelt hvis de skal rekke å gjøre de viktige observasjonene før vinduet lukker seg igjen i over hundre år.

Halleys metode krever observasjoner fra alle hjørner av kloden, og 3. juni 1769 står astronomene klare med teleskoper rettet mot sola på 77 ulike steder – blant annet India, Sibir, Norge og Madagaskar. James Cook har kommet fram til Tahiti og er velsignet med en helt skyfri himmel hele dagen, men mange andre får bare noen glimt av passasjen, som varer i seks timer. Og det er slett ikke den eneste feilkilden ved de kompliserte målingene, skal det vise seg.

Observasjonene forstyrres av den såkalte svart dråpe-effekten, som avtegner Venus med en dråpeform når planeten slipper solas ytterkant og nærmer seg den igjen på den andre siden. Effekten er en optisk illusjon som oppstår på grunn av lysets bryting i atmosfæren og små urenheter i linsene i teleskopene.

En lignende effekt kan frambringes ved å holde opp to fingre foran en lyskilde. Like før fingrene berører hverandre, oppstår det en mørk skygge mellom dem. Den tykke atmosfæren til Venus skaper også en slags tåkete glorie rundt planeten, noe som gjør omrisset utydelig.

Atmosfæren og dråpeformen gjør det vanskelig å finne det nøyaktige tidspunktet for passasjens kritiske start- og sluttfase, og det blir enda vanskeligere på grunn av tekniske begrensninger. Stoppeklokken er ikke funnet opp enda, og transportable klokker er i seg selv en ganske ny oppfinnelse. Både Cook og astronomen han har med seg, Charles Green, tar tiden på passasjen. Men de resultatene de kommer fram til, har et avvik på 42 sekunder, på tross av at de følger fenomenet fra nøyaktig samme sted.

Radar gir det presise svaret

Selv små tidsavvik kan utgjøre en enorm forskjell i kosmiske avstandsmålinger, og da astronomer i årene etter venuspassasjen fikk muligheter for å sammenligne tidtakingene, varierer resultatene derfor med mange millioner kilometer.

Den britiske astronomen og matematikeren Thomas Hornsby, som blant annet kan bruke observasjonene til Cook, kommer tettest på den virkelige verdien for den astronomiske enheten.

Hornsby angir den til 150 838 824 kilometer, som imidlertid fortsatt er over en million kilometer fra den virkelige verdien. Men fordi andre ekspedisjoner har kommet fram til andre resultater, lander den samlede vitenskapelige konsensusen på om lag 153 millioner kilometer – pluss/minus en million. Verdien er presis enn de hadde håpet, men mye mer presis enn tidligere estimater.

Målingene har fastsatt avstanden til sola med større presisjon enn det astronomene i dag kan måle avstanden til Melkeveiens sentrum med. Ved venuspassasjene på 1800-tallet kommer beregningen innen en prosent av den virkelige verdien. Men først i 1961 kan Nasa – ved hjelp fra radarstråler som reflekteres fra overflaten på Venus – måle den astronomiske enheten så presist at verdien kan brukes til å navigere etter. Signalet vender tilbake til jorda etter seks og et halvt minutt, og siden radarbølger beveger seg med lysets hastighet, kan avstanden fastsettes til 149 597 870 691 meter.

Hvis forskerne fortsatt hadde brukt de tidligere estimatene, ville Mariner 2 – den første sonden som fløy forbi en annen planet – trolig ha bommet på Venus med en avstand på mer enn 160 000 kilometer.

Åpnet opp verdensrommet

Den presise fastsettelsen av AU ga astronomene et kraftig verktøy til en dypere forståelse av solsystemet. Med avstandsangivelsen kunne himmellegemenes størrelse fastsettes. Senere har astronomer også kunnet anslå massen på planeter ut fra hvor kraftig de trekker i måner eller forbipasserende sonder, ved hjelp av Newtons lover.

Målene blir brukt til å skjerpe presisjonen i tabellene over planetenes posisjoner, de såkalte efemeridene, som for eksempel brukes til å planlegge romferder. Efemeridene er også grunnlaget for den vitenskapelige disiplinen himmelmekanikk, som blant annet forklarer hvorfor solsystemet ser ut som det gjør og hvordan det vil utvikle seg.

I dag måler astronomer avstanden til fjerne galakser med enheter som er mye større enn AU, som parsec. Men når teleskopet rettes mot andre solsystemer, bruker de den fortsatt til å beskrive avstanden mellom stjerner og fremmede kloder. Enheten som låste opp avstandene i solsystemet, blir altså brukt til å vurdere kandidatene til en Jord 2.0.

Venuspassasjen i 1769 var første gang astronomer fra hele verden deltok i et vitenskapelig prosjekt med et felles mål. Under James Cooks reise til Tahiti ga den franske regjeringen flåten ordre om å la det britiske ekspedisjonsskipet passere fordi skipet var «i hele menneskehetens tjeneste». Når romfartsorganisasjonene sikter mot blant annet Mars, vil det også skje som et internasjonalt prosjekt som krever samme mot og dristighet som det i 1769 krevde å sende skip til den andre siden av jorda for å se Venus passere sola.