Как транзит Венеры раскрыл одну из величайших загадок науки

Знаете, насколько велика солнечная система? Слава прохождению Венеры.
Вселенная почти невообразимо велика, но мы прошли долгий путь к тому, чтобы сократить ее до размеров, которые мы можем понять, во многом благодаря редкому соединению Земли, Солнца и планеты Венера.

Это событие, известное как Прохождение Венеры, произошло всего семь раз за 400 лет с момента изобретения телескопа, последний раз произошел в июне 2012 года. Детям, рожденным сегодня, будет уже за 90, когда наступит следующий транзит. в декабре 2117 г.

Редкость этого события сделала Транзит Венеры 1769 года настолько важным, что международное сообщество ученых объединилось и организовало экспедиции, чтобы наблюдать за ним со всего мира. Их цель: наконец-то ответить на тысячелетнюю загадку размера нашей Вселенной.

Оцените небо
Когда вы смотрите на ночное небо, вы получаете выгоду от многовековых астрономических знаний, говорящих вам, что звезды, которые вы видите, находятся на расстоянии сотен или тысяч световых лет от нас, а некоторые даже могут быть квазарами в сердце галактик на миллионы световых лет. прочь.

Вы можете посмотреть на Луну, увидеть внутренние планеты, обнимающие горизонт в сумерках, или посмотреть на красный Марс вместе с Юпитером и Сатурном и узнать, как далеко все эти небесные тела находятся от того места, где вы стоите.

Однако так было не всегда. Древнегреческие астрономы были первыми, кто записал свои попытки измерить размер нашего звездного окружения, и им удалось добиться успеха в некоторых важных направлениях.

Во II веке до нашей эры астроном Гиппарх использовал явление параллакса (когда два объекта, расположенные один за другим, измеряются из двух разных мест или под разными углами, чтобы определить расстояние до ближайшего из двух объектов от наблюдателя), чтобы вычислить расстояние до Луны с замечательной степенью точности.

Любой, кто смотрел в пассажирское окно автомобиля или поезда, прекрасно знает это явление: кусты, деревья или столбы забора проносятся мимо в мгновение ока, но появляется фермерский дом посреди поля, далеко от дороги. медленно дрейфовать.

Вы даже можете поставить два указательных пальца в линию, одну руку рядом с вашим лицом, а другую вытянуть до упора, и закрыть один глаз, затем другой. Ваш ближайший палец, вероятно, отскочит от левой стороны дальнего пальца к правой его стороне и снова вернется. Это параллакс, и это был один из самых мощных инструментов ранней астрономии.

Как транзит Венеры раскрыл одну из величайших загадок науки

Гиппарх наблюдал Луну во время полного солнечного затмения из одного места и использовал наблюдения в другом городе, где Солнце было только частично, для определения лунного параллакса.

Поскольку расстояние между двумя городами было ему известно, определение расстояния до Луны было просто вопросом геометрии, и он был на удивление близко, рассчитывая с точностью до семи процентов фактического среднего расстояния Луны от Земли.

Другой греческий астроном, Аристарх, предпринял отважную попытку вычислить расстояние до Солнца теперь, когда расстояние до Луны было известно греческим астрономам.

Правильно понимая, что полумесяц означает, что Земля и Луна образуют прямой угол, Аристарх снова использовал геометрию, чтобы попытаться вычислить угол между Солнцем и Луной относительно Земли (с Луной в фазе первой четверти), вычислив угол 87 градусов. Это было близко — на самом деле это 89,83 градуса — но этого было достаточно, чтобы в сочетании с семипроцентной ошибкой Гиппарха и другими меньшими несоответствиями получилось расстояние, которое было отклонено более чем в 1000 раз.

Позже астрономы придут и уточнят это число, но они все еще сильно ошибаются. В конце концов, единственное, что могло бы дать истинное расстояние до Солнца, — это найти его параллакс, и это была проблема, которую столетия астрономам не удалось решить.

Проблема масштаба

Даже самые древние астрономы очень много знали о наблюдаемой Солнечной системе. Внутренние планеты, Меркурий и Венера, а также Марс, Юпитер и Сатурн были известны и наблюдались китайскими, вавилонскими и древнегреческими астрономами почти столько же времени, сколько хранились записи.

Когда Иоганн Кеплер открыл свой третий закон движения планет, он открыл относительные расстояния всех наблюдаемых тел в нашей Солнечной системе, поскольку соотношение куба среднего расстояния объекта до Солнца и квадрата его орбитального периода одинаково для всех планет.

Итак, мы знали, что Марс вращается вокруг известного процента расстояния между Землей и Юпитером. Точно так же, что Венера и Меркурий составляли некоторые известные проценты расстояния между Землей и Солнцем, но на самом деле это не говорило нам, как далеко что-то на самом деле было от Солнца.

Он также ничего не мог сказать нам о размерах чего-либо в Солнечной системе. Диск Солнца почти полностью покрыт Луной во время солнечного затмения, но что это может сказать нам об этом?

Каков размер Солнца?

Если бы Солнце было ближе к нам, но меньше, и если бы оно было еще дальше, чем оно есть, но во много раз превышало его фактический размер, мы не смогли бы заметить разницу, поскольку они казались бы того же видимого размера.

Без единой абсолютной цифры, с которой можно было бы работать, истинный масштаб Солнечной системы, размер Солнца и планет, а также их расстояния друг от друга были удручающе недосягаемы.

Призыв Эдмонда Галлея наблюдать прохождение Венеры
Как транзит Венеры раскрыл одну из величайших загадок науки
Эдмонд Галлей | Источник: Ричард Филлипс / Wikimedia Commons
В 1629 году Кеплер предсказал, что в 1631 году произойдут два транзита (когда одна из внутренних планет проходит непосредственно между Землей и Солнцем и, таким образом, появляется силуэт на фоне солнечного диска) — транзит Меркурия в ноябре и транзит Венеры в ноябре. Декабрь.

Кеплер умер в 1630 году, поэтому его предсказания не подтвердились, но его современники были очень заинтересованы в предсказании последующих транзитов. Однако только в 1663 году шотландский математик Джеймс Грегори, похоже, установил связь между использованием планетных транзитов для определения солнечного параллакса и вычисления абсолютного расстояния между Землей и Солнцем.

В 1677 году Эдмонд Галлей был в обсерватории на острове Святой Елены в южной части Атлантического океана, составляя звездную карту южного неба. Он смог наблюдать прохождение Меркурия и понял, что его можно использовать для вычисления солнечного параллакса.

Регистрируя время определенных событий — момент, когда силуэт планеты впервые касается солнечного диска, момент, когда силуэт планеты полностью входит в солнечный диск, момент, когда силуэт планеты касается края солнечного диска на его противоположном краю, и момент что силуэт планеты в последний раз касается солнечного диска в конце прохождения — разница в записанном времени каждого из четырех событий в разных местах может быть использована для окончательного решения этой астрономической загадки.

Учитывая сложность наблюдения за входом и выходом Меркурия из солнечного диска, Галлей определил, что транзит Венеры дает наилучший шанс записать достаточно точные данные для проведения расчетов. К несчастью для Галлея, следующий Переход Венеры был предсказан на 1761 год, то есть через 80 лет. В то время Галлей был молодым человеком, но не настолько молод, чтобы у него была реальная надежда самому сделать какие-либо наблюдения.

Вместо этого он сделал несколько публичных призывов к международному научному сотрудничеству для наблюдения следующего прохождения, а также вскоре после этого в 1769 году, чтобы окончательно определить солнечный параллакс. Если бы они не сделали этого к 1769 году, у ученых не было бы другого шанса до 1874 года, то есть почти через два столетия в будущем.

Галлей умер в 1742 году, но вскоре ученые всего мира возьмутся за дело с того места, где он остановился.

Начались международные экспедиции
Как транзит Венеры раскрыл одну из величайших загадок науки
Отчет капитана Джеймса Кука о прохождении Венеры в 1769 году | Источник: НАСА.
В 1760-х годах в Европе многое происходило. Англия и Франция были заняты Семилетней войной, первой поистине глобальной войной в истории человечества, поэтому перспективы международного научного сотрудничества в лучшем случае можно было считать невысокими.

К счастью, это оказалось не так, и ученые всего мира, независимо от национальности, взяли на себя ответственность ответить на призыв Галлея.

«К сожалению, — пишет Дональд Титс в статье 2003 года в Mathematics Magazine [PDF] о транзите 1761 года,

«невозможно описать в этой короткой статье все приключения тех, кто намеревался наблюдать транзит 1761 года: Чарльза Мейсона и Иеремии Диксона, которые отправились в Ост-Индию, но даже не покинули пролив Ла-Манш, когда на их корабль напал французский военный корабль, в результате чего 11 человек погибли и 37 были ранены; француз Шаппе, который проехал 1500 миль через Россию до Тобольска на санях, запряженных лошадьми, однажды вынужден был схватить своих дезертировавших проводников под дулом пистолета; француз Ле Жантиль которому война помешала добраться до места назначения в Индии, и поэтому он был вынужден наблюдать за переходом с катящейся палубы корабля в Индийском океане ».

Когда в 1761 году произошел Транзит Венеры, по крайней мере 122 ученых и наблюдателя в 62 различных местах по всему земному шару зафиксировали время входа и выхода Венеры, это было крупнейшее международное научное сотрудничество, которое когда-либо предпринималось в то время.

К сожалению для всех участников, не всех данных было достаточно, и они дали совершенно разные результаты при попытке расчета. Международное научное сообщество не только не отговорилось, но и приложило еще больше усилий для точной регистрации транзита Венеры 1769 года, чем это было предпринято в 1761 году, зная, что это будет их последний шанс на более чем 100 лет.

Вторая попытка и ее многочисленные экспедиции, в том числе знаменитое путешествие капитана Джеймса Кука на остров в южной части Тихого океана.

d Таити, чтобы наблюдать за транзитом, прежде чем претендовать на Австралию для Британской империи и умереть, пытаясь сделать то же самое с Гавайями, — оказалось гораздо более успешным.

«Хотя Англия была третьей по количеству наблюдений более раннего транзита, — гласит история транзита 1769 года, проведенного Европейской южной обсерваторией, — она ​​пришла первой с 69 отчетливыми наблюдениями во время транзита 1769 года. снижение научного господства Франции в Европе. Всего в транзите 1769 г. участвовала 151 группа профессиональных наблюдателей, распределенных по 77 участкам «.

Раскрытие тайны космического масштаба
Как транзит Венеры раскрыл одну из величайших загадок науки
Альфа и Проксима Центавра, расстояние до которых подтверждено с помощью звездного параллакса | Источник:


Томас Хорнсби, британский астроном и математик из Оксфорда, пришел к наиболее точным расчетам, которые были получены на основе транзита Венеры 1769 года.

«Параллакс 3 июня равен 8,65», средний параллакс будет = 8,78 «;» Хорнсби писал в 1771 году: «Если предположить, что полудиаметр Земли равен 3985 английским милям, среднее расстояние Земли от Солнца составит 93 726 900 английских миль».

Наше наиболее точное измерение астрономической единицы (а.е.), среднего расстояния между Землей и Солнцем, составляет 92 955 000 единиц; Титс с восхищением отмечает, что показатель Хорнсби был завышен всего на 0,8%.

Поскольку любое другое известное расстояние в Солнечной системе было известно в относительных единицах, после того, как АС была окончательно определена, можно было быстро вычислить все другие измерения в солнечной системе, как и истинный размер Солнца, используя его угловой диаметр и новый AU.

В нашей солнечной системе можно было бы открыть еще больше, в том числе новые планеты, но модель нашей солнечной системы, впервые созданная астрономами в древности, в значительной степени утвердилась после 1769 года.

Метод параллакса, который оказался столь важным для определения АС, также станет важным инструментом для исследования расстояний до звезд на небе, определения расстояний до таких звезд, как Альфа Центавра и Сириус, а также до далеких галактик и других небесных объектов в космосе. ночное небо.

В целом, усилия по наблюдению и регистрации транзитов Венеры в 1761 и 1769 годах — это невероятный подвиг человеческого сотрудничества, который показывает, насколько много вы можете сделать с помощью небольшой математики, когда мы все собираемся вместе для общей цели.