Þegar skipstjórinn James Cook lagði úr höfn árið 1769 til Tahiti var hann eiginlega á leiðinni á stefnumót við framandi plánetu. Þrátt fyrir að búa hvorki yfir fjarskiptatækjum né áreiðanlegum siglingakortum stefndi hann ótrauður af stað – en raunverulegt verkefni hans var plánetan Venus.
Leiðangur Cooks var í nokkurri tímaþröng. Hann þurfti að ná frá Englandi til þessarar fjarlægu Kyrrahafseyjar fyrir júní 1769 því annars yrði hann of seinn að sjá nágrannaplánetu jarðar ganga þvert yfir sólarskífuna eins og lítill svartur depill.
Þverganga Venusar á sér stað aðeins á um 120 ára millibili og fyrir stjarnfræðinga var þvergangan árið 1769 einstakt tækifæri til að reikna út fjarlægðina milli jarðar og sólar, og þar með fjarlægðina til allra annarra reikistjarna í sólkerfinu.
Ótal stjarnfræðileiðangrar hafa síðan fylgt í kjölfar Cooks. Knúnir af sömu forvitni eftir að hafa kannað hið óþekkta hafa vísindamenn beint sjónaukum í alla króka og kima nágrennis okkar í geimnum. Þeir hafa sent könnunarför út til jaðars sólkerfisins og jafnvel ferðast sjálfir í geimnum. Mælingar þeirra hafa sýnt flókið samspil milli fjarlægða sólkerfisins, hraða og massa og að endingu hefur það gert mönnum kleift til að finna okkar eigin stað í alheimi.
En allt þetta gátu Cook og 94 leiðangursmenn hans einungis giskað á meðan þeir börðust við skyrbjúg og óveður langt frá landi um borð í skipinu Endeavor.
James Cook sigldi til Tahítí til að tímasetja þvergöngu Venusar fyrir 250 árum. Hið sjaldgæfa stjarnfræðilega fyrirbæri var lykillinn að því að reikna út fjarlægðina á milli reikistjarna sólkerfisins.
Venus sem þumalfingur
Tvær miklar uppgötvanir á 17. og 18. öld gera þvergöngu Venusar árið 1769 sérlega veigamikla. Árið 1619 reiknaði þýski stærðfræðingurinn Johannes Kepler hlutfallslegar fjarlægðir til þá sex þekktra reikistjarna – ekki var ennþá búið að uppgötva Úranus og Neptúnus.
Með því að nýta sér nákvæmar teikningar Tycho Brahes um hvar á himninum pláneturnar voru staddar á tilteknum dögum, reiknaði Kepler einnig út umferðartíma þeirra. Uppgötvunin afhjúpaði stærðfræðilegt samband milli brautartíma plánetanna og fjarlægðar til sólu: Brautartími í öðru veldi deilt með fjarlægðinni í þriðja veitir alltaf sömu niðurstöðu.
Þetta er þekkt sem þriðja lögmál Keplers og lýsir sambandinu milli fjarlægða pláneta til sólar í tölum. Ef fjarlægðin milli jarðar og sólar er sögð vera ein stjarnfræðileg eining – sem er stytt í AU – er fjarlægðin til Venusar samkvæmt Kepler 0,724 AU, einungis fáeinum brotum frá núverandi útreikningum fræðimanna. En stjarnfræðingar þess tíma höfðu ekki verkfærin til þess að ná fram svo nákvæmum niðurstöðum.
Áhorfandi á Norðurhveli og annar á Suðurhveli sjá hliðraða braut Venusar fyrir framan sólina. Fjarlægðin milli áhorfendanna og hornið á sjónlínunum gerir mönnum kleift að reikna fjarlægðina til Venusar.
Árið 1716 fann enski stjarnfræðingurinn Edmund Halley hins vegar aðferð til að reikna út fjarlægðina til sólar með því að taka tímann á þvergöngu Venusar fyrir framan sólina.
Aðferð Halleys styðst við fyrirbæri sem nefnist meðalhliðrun (e. parallaxe) sem gengur út frá einfaldri hugmynd: Með því að halda þumalfingrinum með útréttri hönd og horfa á hann annars vegar með öðru auga og síðan hinu myndast hliðrun á fingrinum miðað við bakgrunninn. Út frá þessari hliðrun, og fjarlægðinni milli augnanna er mögulegt að reikna út fjarlægðina til þumalfingursins.
Þegar Venus gengur þvert fyrir sólu virkar Venus í raun eins og þumalfingurinn, meðan athuganir frá mismunandi stöðum á hnettinum eru augun tvö.
Athugun frá norðurhveli jarðar mun þannig greina Venus á braut sem liggur aðeins sunnar á sólinni heldur en athugun frá suðurhvelinu. Með því að mæla tímann nákvæmlega á fjórum snertipunktum Venusar við jaðar sólarinnar geta stjarnfræðingar teiknað brautirnar tvær yfir sólu og mælt fjarlægðina milli þeirra efri og hinnar neðri.
Þegar fjarlægðin milli athugana og milli brautanna tveggja og sólu er þekkt munu snertipunktarnir milli sjónlínu athugenda sýna staðsetningu Venusar. Staðsetningin veitir þannig horn sem, ásamt fjarlægðinni milli tveggja athugana, gerir mönnum kleift að reikna út fjarlægðina til Venusar með einfaldri hornafræði.
Slíkir reikningar eru ennþá notaðir í dag eftir sömu grunnreglum, t.d. þegar Gaia – sjónaukinn reiknar út fjarlægðir til stjarna. Þá eru fjarlægari stjörnur notaðar sem viðmiðunarpunktar og staðsetning jarðar með hálfs árs millibili sem fjarlægð.
Þess vegna er þverganga Venusar svo fátíð
Venus tekur fram úr jörðu á hverjum 584 dögum, en hún fylgir braut sem hallar miðað við sporbraut jarðar. Þess vegna líða um 120 ár milli þess að Venus taki fram úr jörðu meðan hún er ennþá í sjónlínu milli jarðar og sólar.
Ský og búnaður ergja fræðimenn
Þverganga Venusar verður í pörum með átta ára millibili sem eru aðskilin með löngum tímabilum upp á annars vegar 121,5 og hins vegar 105,5 ár. Og Harley náði sjálfur ekki að sannreyna aðferð sína á þvergöngu Venusar meðan hann lifði.
Þegar Cook sigldi af stað vissi hann að þvergangan væri lykillinn að því að lesa í allar fjarlægðir í sólkerfinu. Gæti Cook fundið fjarlægðina til Venusar með hjálp þriðja lögmáls Keplers, mætti einnig finna fjarlægðina til sólar og þar með reikna út fjarlægð til allra reikistjarna.
Þverganga Venusar árið 1761 hafði ekki leitt til nokkurrar niðurstöðu í sjálfu sér þannig að stjarnfræðingar höfðu mikið verk fyrir höndum ætti þeim að takast að ná að framkvæma mikilvægar áætlanir sínar áður en glugginn lokaðist aftur allt til ársins 1874.
Aðferð Harleys krefst athugana frá öllum hornum hnattarins og þann 3. júní 1769 voru stjarnfræðingar reiðubúnir með sjónaukana stillta á sólu á 77 mismunandi stöðum, m.a. á Indlandi, í Síberíu, Noregi og Madagaskar.
Þegar James Cook náði til hafnar í Tahiti var hann svo lánsamur að himininn var algjörlega heiður allan daginn, en aðrir vísindamenn fengu ekki að sjá jafn mikið af ríflega sex klukkustunda langri þvergöngunni. Og þetta er ekki einasti vankanturinn við þessar flóknu mælingar eins og átti eftir að koma í ljós.
Athuganirnar eru plagaðar af fyrirbæri sem nefnist dropaáhrif sem sýna Venus í dropaformi þegar plánetan sleppur inn úr jaðri sólar og nálgast skífuna síðan aftur á hinni hliðinni. Áhrif þessi eru talin vera eins konar sjónhverfing sem myndast vegna brots ljóssins í lofthjúpi jarðar, ásamt því að linsurnar í sjónaukanum eru ekki alveg fullkomnar.
Sambærilegum áhrifum má ná fram með því að halda tveimur fingrum upp fyrir framan ljósgjafa. Rétt áður en fingurnir snertast myndast dökkur skuggi milli þeirra. Þykkur lofthjúpur Venusar skapar einnig kornóttan geislabaug um plánetuna sem gerir útlínur hennar ógreinilegar.
Lofthjúpurinn og dropaáhrifin torvelda nákvæma tímatöku á þvergöngunni í bæði upphafi hennar og lok, og tæknilegar takmarkanir torvelda mælingarnar enn frekar.
Ekki var búið að finna upp skeiðklukkuna og handbær úr voru í sjálfu sér nokkuð ný uppfinning. Stjarnfræðingar höfðu vonast til þess að geta tímatekið þvergönguna með frávikum undir tveimur sekúndum, en Cook og stjarnfræðingur hans, Charles Green, mældu t.d. þvergönguna með 42 sekúndna mun þrátt fyrir að þeir hafi fylgst með henni frá nákvæmlega sama stað.
Stjarnfræðingar í Ástralíu bíða þess að mæla þvergöngu Venusar í desember 1874.
Helstu vankantar: Lélegar myndir grugguðu þvergöngu Venusar
Þýski stjarnfræðingurinn Johann Franz Enke reiknaði út fjarlægðina milli jarðar og sólu – AU – og var hún 153.340.000 kílómetrar miðað við athuganir 18. aldar – meira en 3,5 milljón kílómetrum lengri en núverandi reikningar sýna. Fyrir þvergöngu Venusar árið 1874 skoraði hann á kollega sína að koma með nákvæmari útreikninga.
Stjarnfræðingar æfðu sig í að mæla þvergönguna með hjálp frumstæðra hermilíkana, en þrátt fyrir að myndavélin hafi nú verið fundin upp og margar stjörnustöðvar tækju myndir á meðan þvergöngunni stóð, voru myndgæðin svo léleg að það tókst ekki enn að mæla fjarlægðina með nokkru öryggi.
Ratsjá veitir nákvæm svör
Jafnvel minnstu tímafrávik geta skipt gríðarlegu máli þegar fjarlægðir eru mældar úti í geimnum og þegar stjarnfræðingar fengu tækifæri til að bera saman tímatökur sínar eru niðurstöður þeirra svo frábrugðnar hver annarri að það munar mörgum milljónum kílómetra.
Breski stjarnfræðingurinn og stærðfræðingurinn Thomas Hornsby kemst einna næst raunverulegu gildi fyrir stjarnfræðilega einingu með 150.838.824 km, þökk sé athugunum Cooks, en samt munar um 1 milljón kílómetra frá raunverulegu gildi.
En þar sem leiðangrar annarra landa hafa fengið aðrar niðurstöður sammælist vísindasamfélagið um að gildið sé 153 milljón km – plús mínus 1 milljón km. Gildi þetta er heldur ónákvæmara en vonast hafi verið til en langtum nákvæmari en fyrri útreikningar.
Mælingarnar hafa fastsett fjarlægðina til sólar með meiri nákvæmni en þeirri sem stjarnfræðingar gera nú til að mæla fjarlægðina til miðju Vetrarbrautarinnar. Með þvergöngu Venusar á 19. öld nást útreikningar þar sem munar einungis um 1% af raungildi. Það er ekki fyrr en árið 1961 sem NASA getur, með hjálp ratsjárgeisla sem endurvarpast frá yfirborði Venusar, mælt stjarnfræðilega einingu með slíkri nákvæmni að nýta má hana við geimferðir. Boðin snúa aftur til jarðar eftir um sex og hálfa mínútu og þar sem ratsjárbylgjur fara á ljóshraða má festa fjarlægðina við 149.597.870.691 m.
Hefðu fræðimennirnir ennþá stuðst við fyrri útreikninga sína myndi Mariner 2 – fyrsta könnunarfarið sem flaug framhjá annarri plánetu – að líkindum hafa farið framhjá Venusi í meira en 160.000 km fjarlægð.
Því lengra frá sólu, því meiri fjarlægð er á milli plánetanna.
Ystu pláneturnar eru lengra hver frá annarri
Stjarnfræðingar nýta fjarlægðina milli jarðar og sólar sem mælieiningu (AU) í sólkerfinu: 150 milljónir km = 1 AU. Fjarlægðin milli plánetanna eykst í veldisvexti. Ystu pláneturnar eru lengra hver frá annarri en þær innri. Satúrnus er um helmingi lengra frá sólu en Júpíter. Úranus er um helmingi lengra frá sólu en Satúrnus. Frá Neptúnusi og utar passar jafnan ekki
Ein stök tala hefur opnað geiminn
Þessi nákvæma skilgreining á AU veitti stjarnfræðingum öflugt verkfæri til að öðlast dýpri skilning á sólkerfinu.
Með þessari skilgreiningu mátti nú ákvarða raunverulega stærð himintunglanna. Síðan hafa stjarnfræðingar einnig geta áætlað massa pláneta út frá togi þeirra í tungl eða könnunarför sem fara framhjá þeim og þannig með aðstoð þyngdarlögmáls Newtons slegið föstu hve mikið togkrafturinn hraðar öðrum himintunglum.
Mælingarnar voru notaðar til að skerpa nákvæmnina í töflum yfir staðsetningu reikistjarnanna, svokallað stjörnualmanak, sem er t.d. notaðar við að skipuleggja leiðangra út í geim. Stjörnualmanök eru einnig grunnurinn að vísindalegu greininni himinaflfræði sem m.a. útskýrir hvers vegna sólkerfið lítur út eins og raun ber vitni og hvernig það muni þróast.
Svo hratt fara pláneturnar á 10 sekúndum
Því nær sem pláneta er sólu þess meiri áhrif hefur þyngdarkraftur stjörnunnar á hana og þess hraðar fer hún á braut sinni. Efst er ysta plánetan Neptúnus og þar fyrir neðan er Satúrnus, Jörðin og Merkúr sem er næst sólu.
Núna mæla stjarnfræðingar fjarlægðina til fjarlægra stjörnuþoka með einingum sem eru langtum stærri en AU, eins og t.d. parsec. En þegar sjónauka er beint að öðrum sólkerfum styðjast stjarnfræðingar ennþá við stjarnfræðilegu eininguna til að lýsa því hvernig framandi hnettir eru á brautum sínum samanborið við okkar reikistjörnu.
Einingin sem opnaði fyrir fjarlægðarmælingar í sólkerfinu er þannig notuð til þess að meta hvort að það fyrirfinnist jarðarlíkar reikistjörnur.
Þverganga Venusar árið 1769 var í fyrsta skiptið í sögunni sem að stjarnfræðingar frá öllum heimshornum tóku saman þátt í vísindalegum leiðangri með eitt sameiginlegt markmið. Á ferð James Cooks til Tahiti skipaði franska rískisstjórnin þannig flotanum að skipta sér ekki af breska leiðangursskipinu því að erindi Cooks væri „í þágu alls mannkyns“.
Þegar NASA og aðrar geimferðastofnanir horfa t.d. til Mars í framtíðinni, mun það einnig vera fjölþjóðlegt átak sem krefst sama hugrekkis og þrautseigju eins og þurfti til að senda skip hinum megin á hnöttinn til að sjá Venus ganga þvert yfir sólu árið 1769.
Hvar endar sólkerfið
Margir stjarnfræðingar telja að sólkerfið afmarkist af kúlulagaðri skel þar sem milljarðar af frosnum loftsteinum og íshalastjörnum hringa um sólu.
Enginn hefur nokkru sinni séð hið svokallaða Oortský en halastjörnur á ótrúlega löngum brautum, með meira en 200 ára umferðartíma, benda til að það fyrirfinnist.
Halastjörnurnar geta einungis verið upprunnar frá svæðum utan Kuiperbeltisins og tilgátan er sú að þeim hafi á sínum tíma verið þeytt út úr einskismannslandi Oortskýsins órafjarri sólu. Árekstrar við önnur óþekkt himintungl hafi síðar skotið þeim inn að miðju sólkerfisins.
Skýið er talið vera í 1000 til 100.000 AU fjarlægð frá sólu – langtum fjarlægara en Kuiperbeltið sem er „einungis“ í 30 – 50 AU fjarlægð. Geimfarið Voyager I sem var skotið á loft árið 1977 er talið ná til Oortskýsins eftir um 300 ár og mun í fyrsta lagi komast út úr skýinu aftur eftir einhver 30.000 ár.
