När kapten James Cook i augusti 1768 sätter segel mot Tahiti är han på väg mot en främmande planet. Han har dock inte vare sig kommunikationsmedel eller tillförlitliga kartor med sig, för hans verkliga mål är planeten Venus.
Cooks expedition står inför en orubblig deadline. De måste ta sig från England till den avlägsna Stillahavsön före juni 1769, annars kommer de för sent för att se jordens grannplanet passera som en liten svart prick framför solskivan. Venuspassager inträffar bara med cirka 120 års mellanrum, så för astronomerna är passagen år 1769 en unik möjlighet att beräkna avståndet mellan jorden och solen, och därmed även avståndet till alla övriga planeter i solsystemet.
Sedan dess har otaliga astronomiska expeditioner följt i Cooks kölvatten. Drivna av samma nyfikenhet att utforska det okända har forskarna riktat teleskop mot alla avkrokar i vårt astronomiska närområde. De har sänt ut sonder till solsystemets utkanter och har själva rest ut i rymden. Deras mätningar har avslöjat ett komplext samspel mellan solsystemets avstånd, hastigheter och massa och har slutligen gjort det möjligt att hitta vår egen plats i universum.
Allt detta kan dock Cook och hans 94 män bara gissa sig till medan de långt från land kämpar mot skörbjugg, oväder och galenskap ombord på fartyget Endeavour.
För 250 år sedan reste James Cook till Tahiti för att ta tiden på Venuspassagen. Det sällsynta astronomiska fenomenet var nyckeln till att beräkna avståndet mellan solsystemets planeter.
Venus motsvarar en tumme
Två stora insikter under 1600- och 1700-talet gör Venuspassagen år 1769 betydelsefull. År 1619 räknar den tyske astronomen Johannes Kepler ut de relativa avstånden till solsystemets då sex kända planeter (Uranus och Neptunus hade ännu inte upptäckts). Genom att använda Tycho Brahes noggranna uppgifter om var någonstans på himlen planeterna befinner sig på vissa dagar kan Kepler också räkna ut deras exakta omloppstid.
Upptäckten avslöjar ett matematiskt förhållande mellan planeternas omloppstid och avståndet till solen: Omloppstiden i kvadrat dividerad med avståndet upphöjt till tre ger alltid samma tal.
Denna princip kallas Keplers tredje lag. Den fastslår förhållandena mellan planeternas avstånd till solen i relativa tal.
Om avståndet mellan jorden och solen fastslås som en astronomisk enhet (AE) är avståndet till Venus enligt Kepler 0,724 AE, bara några decimaler från vår tids beräkningar. Dåtidens astronomer hade emellertid inte de verktyg som krävs för att kunna omsätta dessa relativa värden till absoluta tal.
Venuspassage. En iakttagare på norra halvklotet och en iakttagare på södra halvklotet ser Venus bana framför solskivan förskjuten. Avståndet mellan iakttagarna och vinkeln på siktlinjerna gör det möjligt att beräkna avståndet till Venus.
År 1716 kom den engelske astronomen Edmund Halley på en metod för att räkna ut avståndet till solen genom att ta tiden på Venus passage över solskivan. Halleys metod utnyttjar fenomenet parallax, som fungerar utifrån ett enkelt koncept: Genom att hålla upp tummen med utsträckt arm och se på den medan man blundar med det ena respektive det andra ögat förskjuts fingret mot bakgrunden.
Utifrån denna förskjutning och avståndet mellan ögonen kan man beräkna avståndet till tummen. Vid en Venuspassage där Venus passerar mellan solen och jorden fungerar Venus som tummen, medan observationer från olika delar av planeten motsvarar ögonen.
En iakttagare på norra halvklotet ser Venus passera i en bana något längre söderut i förhållande till solen än en iakttagare på södra halvklotet. Genom att exakt tidsbestämma Venus fyra kontaktpunkter med solens ytterkant kan astronomerna teckna de två banorna över solen och mäta avståndet mellan den översta och den nedersta banan.
När avståndet mellan de båda iakttagarna och mellan de två banorna på solen är känt visar iakttagarnas siktlinjer Venus placering. De ger en vinkel som i kombination med avståndet mellan de två iakttagarna gör det möjligt att beräkna avståndet till Venus med enkel trigonometri.
Parallaxberäkningar utifrån samma princip används än i dag, exempelvis när Gaiateleskopet beräknar avståndet till stjärnor. Då används mer avlägset belägna stjärnor som fixpunkter och jordens placering med ett halvårs mellanrum som avstånd.
Bara när Venus ligger precis i siktlinjen mellan jorden och solen ser vi en Venuspassage.
Därför är Venuspassager så sällsynta
Venus varvar jorden var 584:e dag, men den följer en bana som lutar i förhållande till jordens. Därför dröjer det omkring 120 år tills Venus varvar jorden samtidigt som planeten ligger mitt i siktlinjen mellan jorden och solen.
Moln och utrustning försvårar
Venuspassager uppstår i par med åtta års mellanrum, som skiljs åt av perioder om 121,5 respektive 105,5 år, så Halley hinner inte testa sin metod på en Venuspassage under sin livstid. När Cook ger sig av vet han att Venuspassagen är nyckeln för att låsa upp alla avstånd i solsystemet.
Om Cook kan komma fram till avståndet till Venus kan han med hjälp av Keplers tredje lag även räkna ut avståndet till solen och därmed avståndet till alla planeter. Venuspassagen år 1761 gav inget resultat, så astronomerna har bråttom om de ska hinna göra de viktiga observationerna innan fönstret stängs igen ända fram till år 1874.
Halleys metod kräver observationer från alla delar av planeten. Den 3 juni 1769 står astronomer beredda med teleskop riktade mot solen på 77 olika ställen, bland annat Indien, Sibirien, Norge och Madagaskar. James Cook, som har kommit fram till Tahiti, har turen att ha en molnfri himmel hela dagen, medan andra inte ser alls lika mycket av den drygt sex timmar långa passagen. Det är långt ifrån den enda felkällan under de komplicerade mätningarna, visar det sig.
Nasas satellit Solar Dynamics Observatory följde med från första parkett vid den senaste Venuspassagen år 2012.
Observationerna påverkas av fenomenet black drop-effekt, som innebär att Venus får en droppform dels när planeten släpper solens ytterkant, dels när den närmar sig kanten på andra sidan. Effekten anses vara en optisk illusion som uppstår på grund av ljusets brytning i jordatmosfären och små brister i teleskopens linser. En liknande effekt kan åstadkommas genom att man håller upp två fingrar framför en ljuskälla. Precis innan fingrarna vidrör varandra bildas en mörk skugga mellan dem. Venus tjocka atmosfär skapar en grynig gloria runt planeten, som gör omkretsen otydlig.
Atmosfären och black drop-effekten gör det svårt att mäta passagens början och slut, och tekniska begränsningar gör det ännu svårare. Stoppuret hade ännu inte uppfunnits; bara bärbara ur var en relativt färsk uppfinning. Cook och hans astronom Charles Green uppmätte exempelvis passagen med 42 sekunders differens, trots att de följde den från samma plats. Sedan skulle tidtagningen dessutom synkroniseras över alla de tids-zoner från vilka Venuspassagen mättes.
Astronomer i Australien väntar på att observera Venuspassagen i december 1874.
Största tabben: Dåliga bilder gjorde venuspassagen otydlig
Utifrån 1700-talets observationer beräknade den tyske astronomen Johann Franz Encke avståndet mellan jorden och solen (AE) till 153 340 000 kilometer, drygt 3,5 miljoner kilometer längre än det nuvarande värdet. Före Venuspassagen år 1874 utmanade han sina kollegor till att försöka komma närmare en korrekt siffra. Astronomerna mätte passagen med hjälp av primitiva simulatorer, men trots att fotografiet nu hade uppfunnits och flera observatorier tog bilder under passagen var kvaliteten så dålig att man ändå inte lyckades mäta avståndet med hög precision.
Radar ger exakt svar
Till och med små tidsavvikelser kan göra en enorm skillnad vid kosmiska avståndsmätningar, så när astronomer under åren efter Venuspassagen får möjlighet att jämföra tidtagningarna varierar resultaten med miljontals kilometer.
Tack vare bland annat Cooks observationer kommer den brittiske astronomen och matematikern Thomas Hornsby närmast det verkliga värdet för den astronomiska enheten med 150 838 824 kilometer, som dock fortfarande är över en miljon kilometer fel. Men eftersom andra länders expeditioner har kommit fram till andra resultat landar vetenskapens konsensus på cirka 153 miljoner kilometer, plus/minus en miljon kilometer. Värdet är mindre exakt än man hoppats, men betydligt närmare verkligheten än tidigare beräkningar.
Mätningarna har fastslagit avståndet till solen med större precision än den med vilken dagens astronomer kan mäta avståndet till Vintergatans mitt. Vid Venuspassagerna på 1800-talet kommer beräkningen inom en procent av det verkliga värdet. Först år 1961 kan Nasa med hjälp av radarstrålning som reflekteras från Venus yta mäta den astronomiska enheten så pass exakt att värdet kan användas för navigation. Signalen återvänder till jorden efter cirka sex och en halv minut, och eftersom radarvågor färdas i ljusets hastighet kan avståndet fastslås till 149 597 870 691 meter.
Om forskarna fortfarande hade använt tidigare beräkningar hade Mariner 2, den första sonden som flög förbi en annan planet, troligen missat Venus med över 160 000 kilometer.
Ju längre vi förflyttar oss från solen, desto större avstånd är det mellan planeterna.
De yttre planeterna ligger längst ifrån varandra
Astronomerna använder avståndet mellan jorden och solen som måttenhet (AE) i solsystemet: 150 miljoner km = 1 AE. Avståndet mellan planeterna växer exponentiellt. De yttersta befinner sig längre bort från varandra än de innersta. Saturnus befinner sig cirka dubbelt så långt bort från solen som Jupiter. Uranus befinner sig ungefär dubbelt så långt bort från solen som Saturnus. Från Neptunus och längre ut stämmer inte ekvationen.
En exakt siffra har underlättat
Det exakta måttet på AE gav astronomerna ett kraftfullt verktyg för en djupare förståelse av solsystemet. Nu kunde himlakropparnas verkliga storlek fastslås. Senare har astronomer även kunnat beräkna massan på planeter utifrån deras attraktionskraft på månar eller förbipasserande sonder och med hjälp av Newtons gravitationslag kunnat fastslå hur mycket fart attraktionskraften ger andra himlakroppar.
Måtten används för att öka precisionen i tabellerna över planeternas positioner, de så kallade efemeriderna som exempelvis används för att planera rymdexpeditioner. Efemeriderna är också grunden för den vetenskapliga disciplinen celest mekanik, som bland annat förklarar varför solsystemet ser ut som det gör och hur det kommer att utvecklas.
Så långt förflyttar planeterna sig på 10 sekunder
Ju närmare solen en planet befinner sig, desto mer påverkas den av stjärnans gravitationskraft och desto snabbare rör den sig i sin bana. Högst upp syns den yttersta planeten, Neptunus, och nedanför Saturnus, jorden och Merkurius, som ligger närmast solen.
I dag mäter astronomer avståndet till avlägsna galaxer i enheter som är betydligt större än AE, exempelvis parsec. Men när teleskop riktas mot andra solsystem använder astronomerna fortfarande AE för att beskriva hur främmande planeter kretsar i förhållande till vår egen.
Enheten, som låste upp alla avståndsangivelser i solsystemet, används med andra ord för att bedöma de bästa förslagen på en jorden 2.0.
Venuspassagen år 1769 var första gången någonsin som astronomer från hela världen deltog i en gemensam vetenskaplig expedition. Under James Cooks resa till Tahiti gav den franska regeringen sin flotta order om att låta de brittiska fartygen segla fritt, eftersom expeditionen verkade ”i mänsklighetens tjänst”.
När Nasa eller andra rymdorganisationer i framtiden siktar mot Mars kommer det också att ske i form av en internationell expedition. Den lär fordra samma djärvhet som det år 1769 krävdes för att skicka fartyg till andra sidan jordklotet för att se Venus passera framför solen.
Var slutar solsystemet?
Många astronomer tror att solsystemet avgränsas av ett klotformigt skal med biljontals kometer och isklumpar som kretsar runt solen. Ingen har någonsin sett skalet, som kallas Oorts kometmoln, men kometer med kretslopp på över 200 år tyder på att det existerar.
Kometerna kan bara komma från områden utanför Kuiperbältet, så hypotesen är att de vid något tillfälle knuffats ut ur kometmolnet, långt från solen. Möten med andra interstellära objekt har fört in dem mot solsystemets mitt.
Molnet tros ligga 1 000–100 000 astronomiska enheter (AE) från solen, betydligt mer avlägset än Kuiperbältet, som ”bara” ligger 30–50 AE bort. Sonden Voyager 1, som sändes upp år 1977, antas nå Oorts kometmoln om cirka 300 år. Det kommer att ta ytterligare cirka 30 000 år innan sonden har tagit sig igenom molnet.