Venuspassasje satte mål på solsystemet

3. juni 1769 gled Venus inn foran sola som en liten sort prikk. Venuspassasjen gjorde det for første gang mulig å måle avstanden mellom jorda og sola presist, og det ble begynnelsen på den moderne oppmålingen av solsystemet.

3. juni 1769 gled Venus inn foran sola som en liten sort prikk. Venuspassasjen gjorde det for første gang mulig å måle avstanden mellom jorda og sola presist, og det ble begynnelsen på den moderne oppmålingen av solsystemet.

Ritzau Scanpix

Når kaptein James Cook i august 1768 setter seil mot Tahiti, er han virkelig på vei mot en fremmed planet. Han har ingen måte å kommunisere med hjemlandet og ingen pålitelige kart med seg – og dessuten er det virkelige målet planeten Venus.

Cooks ekspedisjon har en ubarmhjertig tidsfrist. De må seile fra England til den fjerne stillehavsøya før juni 1769, ellers kommer de for sent til å se jordas naboplanet passere over solskiven som en liten svart prikk. Venuspassasjer inntreffer bare med omkring 120 års mellomrom, og for astronomene er passasjen i 1769 en enestående mulighet for å beregne avstanden mellom jorda og sola og dermed avstanden til alle de andre planetene i solsystemet.

Utallige astronomiske ekspedisjoner har senere fulgt i Cooks kjølvann. Drevet av den samme nysgjerrigheten etter å utforske det ukjente har forskerne rettet teleskoper mot alle avkroker av vårt astronomiske nabolag. De har sendt sonder til utkanten av solsystemet og sent astronauter ut i verdensrommet. Målingene har avslørt et komplekst samspill mellom avstander, hastigheter og masse – og til syvende og sist gjort det mulig å finne vår egen plass i universet.

Men alt dette kan ikke Cook og hans 94 sjøfolk vite noe om mens de blir rammet av skjørbuk, uvær og angst mens de er langt fra land om bord på skipet Endeavour.

James Cook dro til Tahiti for å observere venuspassasjen for 250 år siden. Det sjeldne astronomiske fenomenet var nøkkelen til å beregne avstanden mellom planetene i solsystemet.

© Will Punter

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.

Venuspassasje. En observatør på den nordlige og en på den sørlige halvkulen ser banen til Venus over sola litt forskjøvet. Avstanden mellom observatørene gjør det mulig å beregne avstanden til Venus.

© NASA

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.

Bare når Venus står rett i siktelinjen mellom jorda og sola, opplever vi en venuspassasje.

©

Derfor er venuspassasjer så sjeldne

Venus passerer oss hver 584. dag, men den følger en bane som heller i forhold til den jorda følger. Derfor går det omkring 120 år mellom hver gang Venus passerer oss mens den ligger rett i siktelinjen mellom jorda og sola.

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.

Astronomer i Australia venter på å observere venuspassasjen i desember 1874.

© RAS/SPL

Største brøler: Dårlige Bilder ødela venuspassasje

Den tyske astronomen Johann Franz Encke beregnet avstanden mellom jorda og sola (AU) til 153 340 000 kilometer ut fra observasjoner på 1700-tallet – over 3,5 millioner kilometer lenger enn den nåværende verdien. Før venuspassasjen i 1874 utfordret han kollegene sine til å gjøre tallet mer nøyaktig. Astronomene øvet seg i å måle passasjen ved hjelp av primitive simulatorer, men selv om fotografiet nå hadde blitt funnet opp, og flere observatorier tok bilder under passasjen, var kvaliteten så dårlig at det fortsatt ikke var mulig å måle avstanden med sikkerhet.

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.

© Oliver Larsen

De ytterste er lenger fra hverandre enn de innerste

Astronomene bruker avstanden mellom jorda og sola som måleenhet (AU) i solsystemet: 150 millioner km = 1 AU. Avstanden mellom planetene vokser eksponentielt. De ytterste er lenger fra hverandre enn de innerste. Saturn er om lag dobbelt så langt fra sola som Jupiter. Uranus er om lag dobbelt så langt fra sola som Saturn. Fra Neptun og lenger ut stemmer ikke ligningen.

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.

© Shutterstock & Oliver Larsen

Så langt flytter planetene seg på 10 sekunder

Jo tettere en planet er på sola, jo mer påvirkes den av stjernens tyngdekraft, og jo raskere beveger den seg. Øverst ser vi den ytterste planeten, Neptun, og under den Saturn, jorda og Merkur, som er tettest på sola.

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.

© MARK GARLICK/SPL

Hvor ender solsystemet?

Mange astronomer mener at solsystemet avgrenses av et kuleformet skall der billioner av frosne kometer og iskloder går i bane rundt sola. Ingen har noensinne observert den såkalte Oortskyen, men iskometer med ekstremt lange omløp på over 200 år tyder på at den eksisterer.

Kometene kan bare stamme fra områder utenfor Kuiperbeltet, og hypotesen er at de i sin tid har blitt skjøvet ut av Oortskyens ingenmannsland langt fra sola. Møter med andre interstellare objekter har sendt dem inn mot sentrum av solsystemet.

Skyen ligger trolig mellom 1000 og 100 000 AU fra sola – mye lenger unna enn Kuiperbeltet, som «bare» er 30–50 AU unna. Sonden Voyager 1, som ble sendt opp i 1977, vil trolig nå Oortskyen om cirka 300 år, og den vil først være ute av skyen igjen om 30 000 år.