Da kaptajn James Cook i august 1768 sætter sejl mod Tahiti, er han reelt på vej mod en fremmed planet. Ikke alene har han hverken kommunikations-midler eller pålidelige kort med sig – hans virkelige mål er planeten Venus.
Cooks ekspedition er oppe imod en hård deadline. De skal nå fra England til den fjerne stillehavsø inden juni 1769, ellers kommer de for sent til at se Jordens naboplanet passere hen over solskiven som en lille, sort prik.
Venuspassager indtræffer kun med omkring 120 års mellemrum, og for astronomerne er passagen i 1769 en enestående mulighed for at beregne afstanden mellem Jorden og Solen og dermed afstanden til alle andre planeter i Solsystemet.
Utallige astronomiske ekspeditioner er siden fulgt i Cooks kølvand. Drevet af den samme nysgerrighed efter at udforske det ukendte har forskerne rettet teleskoper mod alle afkroge af vores astronomiske nabolag. De har sendt sonder til kanten af Solsystemet og er selv rejst ud i rummet.
Deres målinger har afsløret et komplekst samspil mellem Solsystemets afstande, hastigheder og masse og har i sidste ende gjort det muligt at finde vores egen plads i universet.
Men alt det kan Cook og hans 94 mand kun gisne om, mens de kæmper med skørbug, uvejr og det lurende vanvid langt fra land ombord på skibet Endeavour.
James Cook tog til Tahiti for at time venuspassagen for 250 år siden. Det sjældne astronomiske fænomen var nøglen til at beregne afstanden mellem Solsystemets planeter.
Venus svarer til en tommelfinger
To store erkendelser i løbet af 1600- og 1700-tallet gør venuspassagen i 1769 ekstremt betydningsfuld. I 1619 udregner den tyske astronom Johannes Kepler de relative afstande til de dengang seks kendte planeter – Uranus og Neptun var ikke opdaget endnu.
Ved at bruge Tycho Brahes grundige optegnelser over, hvor på himlen planeterne er på bestemte dage, finder Kepler også deres omløbstider. Opdagelsen afslører en matematisk relation mellem planeternes omløbstid og afstand til Solen: Omløbstiden opløftet i anden divideret med afstanden i tredje giver altid det samme tal.
Princippet er kendt som Keplers tredje lov, og den fastslår forholdene mellem planeternes afstand til Solen i relative tal. Hvis afstanden mellem Jorden og Solen fastsættes som den astronomiske enhed, der forkortes AU, er afstanden til Venus ifølge Kepler 0,724 AU, blot få decimaler fra vore dages beregninger. Men datidens astronomer har ikke værktøjerne til at omsætte de relative værdier til absolutte tal.
En iagttager på den nordlige og en på den sydlige halvkugle ser Venus’ bane over Solen forskudt. Afstanden mellem iagttagerne og vinklen på sigtelinjerne gør det muligt at beregne afstanden til Venus.
I 1716 udtænker den engelske astronom Edmund Halley imidlertid en metode til at udregne afstanden til Solen ved at tage tid på Venus’ passage hen over Solens skive.
Halleys metode udnytter et fænomen kaldet parallakse, der fungerer ud fra et simpelt koncept: Ved at holde tommelfingeren ud i strakt arm og observere den med henholdsvis det ene og det andet øje lukket opstår der en forskydning af fingeren i forhold til baggrunden. Ud fra forskydningen og afstanden mellem øjnene er det muligt at beregne afstanden til tommelfingeren.
Ved en venuspassage, hvor Venus passerer ind mellem Solen og Jorden, fungerer Venus som tommelfingeren, mens observationer fra forskellige steder på kloden er de to øjne.
En observatør placeret på den nordlige halvkugle vil se Venus passere i en bane, der ligger lidt sydligere på Solen, end en observatør på den sydlige halvkugle. Ved at tage præcise tider på Venus’ fire kontaktpunkter med Solens yderkant kan astronomerne tegne de to baner over Solen og måle afstanden mellem den øverste og den nederste.
Når afstanden mellem de to observatører og mellem de to baner på Solen er kendt, vil krydsfeltet mellem observatørernes sigtelinjer afsløre Venus’ placering. Placeringen giver en vinkel, som sammen med afstanden mellem de to observatører gør det muligt at beregne afstanden til Venus med simpel trigonometri.
Parallakseberegninger bliver stadig brugt i dag efter samme princip, fx når Gaiateleskopet beregner afstanden til stjerner. Her bruges fjernere stjerner som fikspunkt og Jordens placering med et halvt års mellemrum som afstand.
Kun når Venus står lige i sigtelinjen mellem Jorden og Solen, oplever vi en venuspassage.
Derfor er venuspassager så sjældne
Venus overhaler Jorden indenom hver 584. dag, men den følger en bane, som hælder i forhold til Jordens. Derfor går der omkring 120 år imellem, at Venus overhaler Jorden, mens den ligger lige i sigtelinjen mellem Jorden og Solen.
Skyer og udstyr driller forskerne
Venuspassager optræder i par med otte års mellemrum, som er adskilt af lange perioder på 121,5 og 105,5 år, og Halley når ikke selv at afprøve sin metode på en venuspassage i løbet af sin levetid.
Da Cook drager afsted, ved han, at venuspassagen er nøglen til at låse alle afstande i Solsystemet op. Hvis Cook kan finde afstanden til Venus, kan han ved hjælp af Keplers tredje lov også finde afstanden til Solen og dermed udregne afstanden til alle planeterne.
Venuspassagen i 1761 havde ikke kastet noget resultat af sig, så astronomerne har travlt, hvis de skal nå at gøre de vigtige observationer, inden vinduet lukker igen helt frem til 1874.
Halleys metode kræver observationer fra alle hjørner af kloden, og 3. juni 1769 står astronomer klar med teleskoper rettet mod Solen på 77 forskellige lokaliteter i blandt andet Indien, Sibirien, Norge og Madagaskar.
Mens James Cook er nået frem til Tahiti og er heldig med en komplet skyfri himmel hele dagen, får andre ikke nær så meget af den lidt over seks timer lange passage at se. Og det er langtfra den eneste fejlkilde ved de komplicerede målinger, skal det vise sig.
NASA-satellitten Solar Dynamics Observatory fulgte med fra første parket ved den seneste venuspassage i 2012.
Observationerne plages af et fænomen kaldet black drop-effekt, der aftegner Venus med en dråbeform, når planeten slipper Solens yderkant og nærmer sig den igen på den anden side. Effekten menes at være en optisk illusion, der opstår på grund af lysets brydning i Jordens atmosfære og små uperfektheder i teleskopernes linser.
En lignende effekt kan frembringes ved at holde to fingre op foran en lyskilde. Lige inden fingrene rører hinanden, opstår der en mørk skygge mellem dem. Venus’ tykke atmosfære skaber også en grynet glorie om planeten, der gør dens omrids utydeligt.
Atmosfæren og black drop-effekten gør det svært at tage en præcis tid på passagens kritiske start- og slutfase, og det bliver yderligere besværliggjort af tekniske begrænsninger.
Stopuret er ikke opfundet endnu, og transportable ure er i sig selv en ret ny opfindelse. Astronomerne har håbet på at kunne tag tid på venuspassagen med en afvigelse på under to sekunder, men Cook og hans astronom, Charles Green, måler fx passagen med 42 sekunders forskel, på trods af at de følger den fra nøjagtig samme sted.
Astronomer i Australien venter på at observere venuspassagen i december 1874.
Største brøler: Dårlige billeder forplumrede venuspassage
Den tyske astronom Johann Franz Encke beregnede afstanden mellem Jorden og Solen (AU) til 153.340.000 km ud fra 1700-tallets observationer – over 3,5 millioner km længere end den nuværende værdi. Inden venuspassagen i 1874 udfordrede han sine kolleger til at komme tallet nærmere.
Astronomerne øvede sig i at måle passagen ved hjælp af primitive simulatorer, men selvom fotografiet nu var blevet opfundet, og flere observatorier tog billeder under passagen, var kvaliteten så dårlig, at det stadig ikke lykkedes at måle afstanden med sikkerhed.
Radar giver det præcise svar
Selv små tidsafvigelser kan gøre en enorm forskel i kosmiske afstandsmålinger, og da astronomer i årene efter venuspassagen får mulighed for at sammenholde tidtagningerne, varierer deres resultater derfor med mange millioner kilometer.
Den britiske astronom og matematiker Thomas Hornsby kommer takket være blandt andet Cooks observationer tættest på at ramme den reelle værdi for den astronomiske enhed med 150.838.824 km, som dog stadig er over en million km fra den reelle værdi.
Men fordi andre landes ekspeditioner har nået andre resultater, lander den samlede videnskabelige konsensus på ca. 153 millioner km – plus/minus en million km. Værdien er mindre præcis end håbet, men langt mere præcis end tidligere estimater.
Målingerne har fastsat afstanden til Solen med større præcision, end den astronomerne i dag kan måle afstanden til Mælkevejens centrum med. Ved venuspassagerne i 1800-tallet kommer beregningen inden for en procent af den reelle værdi. Men først i 1961 kan NASA med hjælp fra radarstråler, der reflekteres fra Venus’ overflade, måle den astronomiske enhed så præcist, at værdien kan bruges til at navigere efter.
Signalet vender tilbage til Jorden efter ca. seks et halvt minut, og da radarbølger rejser med lysets hastighed, kan afstanden fastsættes til 149.597.870.691 m.
Hvis forskerne stadig havde brugt de tidligere estimater, ville Mariner 2 – den første sonde, der fløj forbi en anden planet – formodentlig have ramt forbi Venus med en afstand på mere end 160.000 km.
Jo længere vi bevæger os væk fra Solen, desto større afstand er der imellem planeterne.
De yderste planeter er længst fra hinanden
Astronomerne bruger afstanden mellem Jorden og Solen som måleenhed (AU) i Solsystemet: 150 millioner km = 1 AU. Afstanden mellem planeterne vokser eksponentielt. De yderste er længere fra hinanden end de inderste. Saturn er ca. dobbelt så langt fra Solen som Jupiter. Uranus er ca. dobbelt så langt fra Solen som Saturn. Fra Neptun og længere ud passer ligningen ikke.
Et enkelt tal har åbnet rummet op
Den præcise fastsættelse af AU gav astronomerne et stærkt værktøj til en dybere forståelse af Solsystemet.
Med afstandsangivelsen kunne himmellegemernes reelle størrelse fastsættes. Siden har astronomer også kunnet anslå massen på planeter ud fra deres træk i måner eller forbipasserende sonder og ved hjælp af Newtons tyngdelove kunnet fastslå, hvor meget tiltrækningskraften bringer andre himmellegemer op i fart.
Målene bliver brugt til at skærpe præcisionen i tabellerne over planeternes positioner, de såkaldte efemerider, der fx bruges til at planlægge rummissioner. Efemeriderne er også grundlaget for den videnskabelige
disciplin himmelmekanik, der blandt andet forklarer, hvorfor Solsystemet ser ud, som det gør, og hvordan det vil udvikle sig.
Så langt flytter planeterne sig på 10 sekunder
Jo tættere en planet er på Solen, jo mere påvirkes den af stjernens tyngdekraft, og jo hurtigere bevæger den sig i sin bane. Øverst ses den yderste planet, Neptun, og derunder Saturn, Jorden og Merkur, der er tættest på Solen.
I dag måler astronomer afstanden til fjerne galakser med enheder, der er langt større end AU, som fx parsec. Men når teleskopet rettes mod andre solsystemer, bruger astronomerne stadig den astronomiske enhed til at beskrive, hvordan fremmede kloder kredser i sammenligning med vores.
Enheden, der låste op for alle afstandsmål i Solsystemet, bliver med andre ord brugt til at vurdere de bedste bud på en Jord 2.0.
Venuspassagen i 1769 var første gang i historien, at astronomer fra hele verden deltog i en videnskabelig mission med et fælles mål. Under James Cooks rejse til Tahiti gav den franske regering således flåden ordre til at lade det britiske ekspeditionsskib sejle frit, fordi skibets mission var “i hele menneskehedens tjeneste”.
Når NASA eller andre rumfartsorganisationer i fremtiden sigter mod fx Mars, vil det også ske som en samlet international mission, der kræver samme mod og dristighed, som det i 1769 krævede at sende skibe til den anden side af Jorden for at se Venus passere over Solen.
Hvor ender Solsystemet?
Mange astronomer mener, at Solsystemet afgrænses af en kugleformet skal, hvor billioner af frosne kometer og iskloder kredser om Solen.
Ingen har nogensinde observeret den såkaldte Oortsky, men iskometer med ekstremt lange kredsløb på over 200 år peger på, at den eksisterer.
Kometerne kan kun stamme fra områder uden for Kuiperbæltet, og hypotesen er, at de i sin tid er blevet skubbet ud af Oortskyens ingenmandsland langt fra Solen. Møder med andre interstellare objekter har sendt dem ind mod Solsystemets centrum.
Skyen menes at ligge mellem 1000 og 100.000 AU fra Solen – langt fjernere end Kuiperbæltet, der “kun” er 30-50 AU væk. Sonden Voyager 1, der blev opsendt i 1977, formodes at nå Oortskyen om ca. 300 år, og den vil først være ude af skyen igen om ca. 30.000 år.