Hvor langt er solen? Det ser ud som om man næppe kunne stille et mere ligetil spørgsmål. Alligevel gjorde denne undersøgelse astronomer i mere end to tusinde år.
Det er bestemt et spørgsmål af næsten uovertruffen betydning, overskygget i historien, måske kun ved at søge efter jordens størrelse og masse. Kendt i dag som astronomisk enhed, tjener afstanden som vores reference inden for solsystemet og basislinjen til måling af alle afstande i universet.
Tænkere i det antikke Grækenland var blandt de første, der prøvede at konstruere en omfattende model af kosmos. Med intet andet end med blotte øje-observationer kunne nogle få ting udarbejdes. Månen trængte stort på himlen, så den var sandsynligvis temmelig tæt. Solformørkelser afslørede, at Månen og Solen var næsten nøjagtigt den samme vinkelstørrelse, men Solen var så meget lysere, at den måske var større, men længere væk (dette sammenfald med hensyn til solens og månens tilsyneladende størrelse har været næsten ubeskrivelig betydning i fremme astronomi). Resten af planeterne syntes ikke større end stjernerne, men syntes alligevel at bevæge sig hurtigere; de var sandsynligvis i en mellemliggende afstand. Men kunne vi gøre noget bedre end disse vage beskrivelser? Med opfindelsen af geometri blev svaret et rungende ja.
Den første afstand, der måles med nogen nøjagtighed, var Månens afstand. I midten af det 2. århundrede fvt pionerer den græske astronom Hipparchus brugen af en metode kendt som parallakse. Ideen om parallax er enkel: Når objekter observeres fra to forskellige vinkler, ser det ud til, at nærmere objekter skifter mere end længere. Du kan nemt demonstrere dette for dig selv ved at holde en finger i armlængden og lukke det ene øje og derefter det andet. Bemærk, hvordan din finger bevæger sig mere end tingene i baggrunden? Det er parallax! Ved at observere Månen fra to byer med en kendt afstand fra hinanden, brugte Hipparchus en lille geometri til at beregne sin afstand til inden for 7% af dagens moderne værdi - ikke dårligt!
Med den kendte afstand til Månen var scenen indstillet til, at en anden græsk astronom, Aristarchus, skulle tage det første stikk ved at bestemme Jordens afstand fra Solen. Aristarchus indså, at når månen var nøjagtigt halvt oplyst, dannede den en højre trekant med Jorden og Solen. Nu ved at kende afstanden mellem Jorden og Månen, alt hvad han havde brug for var vinklen mellem Månen og Solen i dette øjeblik for at beregne solens afstand. Det var strålende resonnementer undermineret af utilstrækkelige observationer. Med intet andet end at øje på, skønnet Aristarchus denne vinkel til at være 87 grader, ikke meget langt fra den sande værdi på 89,83 grader. Men når de involverede afstande er enorme, kan små fejl hurtigt forstørres. Hans resultat blev af med en faktor på mere end tusind.
I løbet af de næste to tusinde år ville bedre observationer anvendt på Aristarchus 'metode bringe os inden for 3 eller 4 gange den sande værdi. Så hvordan kunne vi forbedre dette yderligere? Der var stadig kun en metode til direkte måling af afstand, og det var parallax. Men at finde solens parallaks var langt mere udfordrende end Månens. Når alt kommer til alt er solen i det væsentlige uden funktion, og dens utrolige lysstyrke udsletter enhver opfattelse, vi måtte have, over de stjerner, der lurer bag sig. Hvad kunne vi gøre?
I det attende århundrede var vores forståelse af verden imidlertid steget markant. Fysikfeltet var nu i sin spædbarn, og det gav en kritisk ledetråd. Johannes Kepler og Isaac Newton havde vist, at afstandene mellem planeterne alle var forbundet; find en, og du vil kende dem alle. Men ville nogen være lettere at finde end jordens? Det viser sig, at svaret er ja. Sommetider. Hvis du er heldig.
Nøglen er transit af Venus. Under en transit krydser planeten foran solen set fra Jorden. Fra forskellige steder ser Venus ud til at krydse større eller mindre dele af solen. Ved at timere hvor lang tid disse krydsninger tager, indså James Gregory og Edmond Halley, at afstanden til Venus (og dermed solen) kunne bestemmes (Interesseret i den pittige, grimme, hvordan dette gøres? NASA har en ret fin forklaring tilgængelig her.) . Nu er det tidspunkt, hvor jeg normalt siger noget som: Virker ret ligetil, ikke? Der er kun en fangst ... Men måske har det aldrig været mere usandt. Oddserne var så stablet mod succes, at det virkelig er et vidnesbyrd om vigtigheden af denne måling, at nogen endda forsøgte den.
For det første er transitter af Venus ekstremt sjældne. Som en sjælden gang i livet (selvom de kommer parvis). Da Halley indså, at denne metode ville fungere, vidste han, at han var for gammel til at have en chance for at fuldføre den selv. Så i håb om, at en fremtidig generation ville påtage sig opgaven, skrev han specifikke instruktioner om, hvordan observationer skal udføres. For at slutresultatet skulle have den ønskede nøjagtighed, skulle timingen for transit måles ned til det andet. For at have en stor adskillelse i afstand, skal observationsstederne være placeret langt fra Jorden. Og for at sikre, at overskyet vejr ikke ødelægger chancen for succes, ville der være behov for observatører på steder over hele kloden. Tal om et stort firma i en æra, hvor transkontinentale rejser kunne tage år.
På trods af disse udfordringer vedtog astronomer i Frankrig og England, at de ville indsamle de nødvendige data under transit 1761. På det tidspunkt var situationen imidlertid endnu værre: England og Frankrig blev omfavnet i syvårskrigen. At rejse ad søvejen var næsten umulig. Ikke desto mindre fortsatte indsatsen. Selvom ikke alle observatører havde succes (skyer blokerede nogle, krigsskibe andre), havde tilsagnet været en succes, når de blev kombineret med data indsamlet under en anden transit otte år senere. Den franske astronom Jerome Lalande indsamlede alle data og beregner den første nøjagtige afstand til Solen: 153 millioner kilometer, hvilket er godt inden for tre procent af den sande værdi!
Et kort afsnit: antallet, vi taler om her, kaldes Jordens semi-større akse, hvilket betyder, at det er den gennemsnitlige afstand mellem Jorden og Solen. Fordi Jordens bane ikke er perfekt rundt, kommer vi faktisk omkring 3% nærmere og længere i løbet af et år. Ligesom mange numre inden for moderne videnskab er den formelle definition af den astronomiske enhed ændret en smule. Fra 2012 er 1 AU = 149.597.870.700 meter nøjagtigt, uanset om vi finder Jordens halvhovedakse lidt anderledes i fremtiden.
Siden de banebrydende observationer, der blev foretaget under Venus transit, har vi forfinet vores viden om Jord-Sol-afstanden enormt. Vi har også brugt det til at frigøre en forståelse af universets enorme bredde. Når vi vidste, hvor stor Jordens bane var, kunne vi bruge parallax til at måle afstanden til andre stjerner ved at foretage observationer fordelt med seks måneder (når Jorden har rejst til den anden side af Solen, en afstand på 2 AU!) . Dette afslørede et kosmos, der strækkede sig uendeligt og til sidst ville føre til opdagelsen af, at vores univers er milliarder af år gammelt. Ikke dårligt for at stille et ligefrem spørgsmål!
