Kun kapteeni James Cook lähti elokuussa 1768 purjehtimaan Tahitiin, hän oli oikeastaan matkalla kohti vierasta planeettaa. Häneltä puuttuivat sekä viestintävälineet että luotettavat kartat, ja todellisuudessa hänen tutkimuskohteensa Tahitissa oli Venus.
Cookilla oli tiukka aikataulu. Hänen piti ehtiä Englannista kaukaiseen Tyynenmeren saareen loppukevääseen mennessä, sillä tavoitteena oli päästä tekemään tähtitieteellisiä mittauksia 3. kesäkuuta 1769, jolloin Maan naapuriplaneetan tiedettiin kulkevan Auringon kiekon poikki pienenä mustana täplänä.
Koska näitä Venuksen ylikulkuja esiintyy ainoastaan noin 120 vuoden välein, tähtitieteilijöillä oli vuonna 1769 harvinainen mahdollisuus määrittää Maan ja Auringon välinen etäisyys ja siten matka kaikkiin muihin Aurinkokunnan planeettoihin.
Lukuisista tutkimusryhmistä on sittemmin tullut Cookin työn jatkajia. Sama into saada tietoa tuntemattomasta on pakottanut tutkijat kohdistamaan teleskooppinsa Maan astronomisen naapuriston jokaiseen kolkkaan, lähettämään luotaimia Aurinkokunnan ulko-osiin ja matkustamaan itse avaruuteen.
Heidän mittauksensa ovat paljastaneet Aurinkokunnan etäisyyksien, nopeuksien ja massojen monimutkaiset suhteet ja tehneet mahdolliseksi löytää oma paikkamme maailmankaikkeudessa. Tästä kaikesta Cookilla ja hänen 94-henkisellä miehistöllään ei ollut aavistustakaan Endeavour-laivalla, jossa he taistelivat keripukkia, myrskyjä ja uhkaavaa hulluutta vastaan.
Kaksi 1600- ja 1700-lukujen havaintoa oli tehnyt vuoden 1769 Venuksen ylikulusta hyvin merkittävän. Vuonna 1619 tähtitieteilijä Johannes Kepler laski suhteelliset etäisyydet kuuteen tuolloin tunnettuun planeettaan. Uranus ja Neptunus olivat vielä löytämättä.
James Cook kävi Tahitissa ajoittamassa Venuksen ylikulun 250 vuotta sitten. Harvinainen ilmiö auttoi määrittämään Aurinkokunnan planeettojen väliset etäisyydet.
Venus toimii peukalona
Käyttämällä Tyko Brahen seikkaperäisiä tietoja planeettojen sijainnista taivaalla tiettynä päivänä Kepler onnistui määrittämään myös niiden tarkat kiertoajat. Määritys paljasti, että kiertoaika ja etäisyys Aurinkoon ovat matemaattisessa suhteessa: planeettojen kiertoaikojen neliöt ovat suoraan verrannollisia niiden Auringosta mitattujen keskimääräisten etäisyyksien kuutioihin.
Kaava tunnetaan Keplerin kolmantena lakina, ja se antaa planeettojen suhteellisen etäisyyden Aurinkoon verrattuna Maahan. Kun Maan ja Auringon välinen etäisyys on yhtä kuin astronominen yksikkö (au), Kepler laski Venuksen ja Auringon välimatkaksi 0,724 au, mikä on sadasosalleen oikein. Suhteellisten lukujen muuttamiseen absoluuttisiksi ei vielä tuolloin ollut eväitä.
Venuksen ylikulku. Eteläisen ja pohjoisen pallonpuoliskon havainnoijat näkevät Venuksen reitin Auringon editse eri tavoin. Kun tiedetään heidän välimatkansa ja näkökulmansa, etäisyys Venukseen voidaan laskea.
Englantilainen tähtitieteilijä Edmond Halley keksi vuonna 1716, että etäisyys Aurinkoon voidaan määrittää Venuksen ylikulun keston avulla. Keino perustuu parallaksiin, jota on helppo soveltaa: käsi ojennetaan, peukalo nostetaan pystyyn ja tätä katsotaan ensin toisella ja sitten toisella silmällä. Tällöin peukalo näyttää siirtyvän taustaa vasten tarkasteltuna. Siirtymän ja silmien välisen etäisyyden avulla on mahdollista määrittää etäisyys peukaloon.
Kun Venus kulkee suoraan Maan ja Auringon välistä, Venus toimii peukalona ja kaksi eri katselukohtaa maapallolla silminä. Pohjoisen pallonpuoliskon havainnoija näkee Venuksen kulkevan Auringon editse eteläisempää reittiä kuin eteläisen pallonpuoliskon havainnoija. Kun mitataan tarkasti aika neljässä Venuksen ja Auringon ulkoreunan kosketuskohdassa, voidaan piirtää kaksi rataa Auringon kiekon yli ja mitata ylemmän ja alemman radan välinen etäisyys.
Kun kahden havainnoijan välimatka ja kahden Auringon kiekon ylittävän radan välinen etäisyys tunnetaan, Venuksen sijainti saadaan tietää havainnoijien näkösäteiden risteyskohdasta. Sijainti antaa kulman, joka yhdessä havainnoijien välisen etäisyyden kanssa tekee mahdolliseksi laskea etäisyyden Venukseen yksinkertaisella trigonometrialla.
Trigonometrinen parallaksi ei ole menettänyt merkitystään, ja esimerkiksi Gaia-teleskooppi soveltaa sitä käyttämällä kaukaisempia tähtiä kiintopisteenä ja Maan sijaintia puolen vuoden välein etäisyytenä.
Venuksen ylikulku syntyy harvoin
Lähempänä Aurinkoa kiertävä Venus ohittaa Maan joka 584. päivä, mutta koska sen rata kulkee kaltevasti Maan suhteen, se sattuu vain noin 120 vuoden välein Maan ja Auringon väliin niin, että kaikki kolme ovat samalla suoralla.
Pilvet peittivät, laitteet pettivät
Venuksen ylikulut esiintyvät aina pareittain. Niitä on kaksi kahdeksan vuoden välein, ja parin väli on vuorotellen 121,5 ja 105,5 vuotta. Vaikka Halley ei ehtinyt testata menetelmäänsä elinaikanaan, Cook tiesi jo lähtiessään, että Venuksen ylikulku voi ratkaista Aurinkokunnan etäisyyksiä koskevan ongelman.
Jos etäisyys Venukseen selviäisi, hän voisi Keplerin kolmannen lain avulla saada selville myös etäisyyden Aurinkoon ja siten laskea etäisyyden kaikkiin muihin planeettoihin. Vuoden 1761 Venuksen ylikulun anti oli jäänyt olemattomaksi, joten tähtitieteilijöillä oli kiire tehdä välttämättömät havainnot. Muuten piti odottaa vuoteen 1874.
Halleyn menetelmä vaati havaintoja joka puolelta maapalloa, ja 3. kesäkuuta 1769 tähtitieteilijät olivat kaikkiaan 77 paikassa – muun muassa Intiassa, Siperiassa, Norjassa ja Madagaskarissa – teleskooppiensa kanssa täydessä havainnointivalmiudessa. Sää suosi Cookia, joka oli saapunut ajoissa Tahitiin, sillä taivas oli koko päivän pilvetön.
Muille Aurinko ei hymyillyt yhtä paljon, eivätkä he nähneet vähän yli kuusi tuntia kestävää ylikulkua kokonaan. Myöhemmin paljastui, että se ei ollut monimutkaisten mittausten ainoa virhelähde.
Nasan Aurinkoa tutkiva SDO-satelliitti seurasi ja kuvasi aitiopaikalta viimekertaista Venuksen ylikulkua vuonna 2012.
Havainnot kärsivät black drop -efektiksi kutsutusta ilmiöstä, jossa Venus näyttää pisaramaiselta Auringon ulkoreunalla. Sitä pidetään näköharhana, jonka aiheuttavat valon taittuminen Maan ilmakehässä ja teleskooppien linssien pienet virheet.
Samankaltainen ilmiö syntyy, kun kahta sormea liikutetaan valonlähteen edessä. Juuri ennen kuin sormet koskettavat toisiaan, niiden väliin ilmestyy tumma varjo. Paksu kaasukehä luo myös rakeisen sädekehän Venuksen ympärille, mistä syystä planeetan ääriviivat näyttävät epäselviltä.
Ilmakehä, black drop -efekti ja tekniset ongelmat vaikeuttivat ylikulun alun ja lopun ajoittamista. Pysäytys- ja käynnistystoiminnolla varustettua sekuntikelloa ei ollut keksitty, ja myös taskukello, jossa on sekuntiosoitin, oli vielä melko uusi keksintö.
Tahitissa Cook ja tähtitieteilijä Charles Green ottivat aikaa kelloillaan samoista lähtökohdista, mutta siitä huolimatta tuloksissa oli eroa 42 sekuntia tavoitellun kahden sijasta. Lisäksi eri paikkojen kellonajat piti sovittaa yhteen useiden aikavyöhykkeiden vuoksi.
Australiassa tähtitieteilijät valmistautuivat seuraamaan Venuksen ylikulkua 1874.
Pahin töppäys: Kehno kuvaus samensi venuksen ylikulun
Saksalainen tähtitieteilijä Johann Franz Encke määritti Maan ja Auringon väliksi eli astronomiseksi yksiköksi (au) 153 340 000 kilometriä 1700-luvun havaintojen pohjalta. Siinä oli yli 3,5 miljoonaa kilometriä liikaa. Ennen vuoden 1874 Venuksen ylikulkua Encke kannusti kollegoitaan tarkentamaan tietoa. Tähtitieteilijät harjoittelivat mittaamaan ylikulkua alkeellisilla simulaattoreilla, mutta vasta kehittymässä oleva valokuvaus tuotti pettymyksen: ilmiötä ei onnistuttu kuvaamaan kunnolla. Sen vuoksi astronominen yksikkö jäi yhä määrittämättä varmasti.
Tutka antoi tarkan tiedon
Pienillä aikaeroilla voi olla suuri merkitys kosmisessa mittakaavassa. Kun tähtitieteilijät saivat Venuksen ylikulun jälkeen mahdollisuuden verrata ajanottoaan, he totesivat, että heidän määrittämänsä etäisyydet vaihtelivat useita miljoonia kilometrejä.
Brittiläinen tähtitieteilijä ja matemaatikko Thomas Hornsby onnistui muun muassa Cookin havaintojen ansiosta määrittämään astronomisen yksikön tarkimmin. Hän laski Maan etäisyydeksi Aurinkoon 150 838 824 kilometriä – eli vain vähän yli miljoonan kilometrin verran pieleen. Koska muiden maiden tutkimusryhmät olivat päätyneet toisiin tuloksiin, kiista ratkaistiin kompromissilla: noin 153 miljoonaa kilometriä ± miljoona kilometriä. Likiarvo kelpasi tutkijoille, vaikka epätarkkuus harmittikin heitä.
Maan etäisyys Aurinkoon oli määritetty tarkemmin kuin tätä nykyä pystytään mittaamaan etäisyys Linnunradan keskustaan. Venuksen ylikulkujen avulla päästiin 1800-luvulla jo prosentin tarkkuuteen. Vasta vuonna 1961 Nasa onnistui Venuksen pinnasta takaisin heijastuviin tutkasäteisiin perustuvalla mittauksella määrittämään astronomisen yksikön niin tarkasti, että arvoa voitiin alkaa käyttää navigoinnissa. Signaali palaa Maahan noin 6,5 minuutissa, ja koska tutka-aallot kulkevat valonnopeudella, väli on 149 597 870 691 metriä.
Jos olisi käytetty aikaisempia likiarvoja, ensimmäinen tehtävässään onnistunut planeettaluotain, Mariner 2, olisi todennäköisesti ohittanut tutkimuskohteensa Venuksen yli 160 000 kilometrin päästä.
Uloimmat planeetat ovat kauimpana toisistaan
Tähtitieteessä Maan ja Auringon välistä etäisyyttä käytetään astronomisena yksikkönä (au): 150 miljoonaa km = 1 au. Planeettojen välinen etäisyys kasvaa eksponentiaalisesti. Uloimmat ovat kauempana toisistaan kuin sisemmät. Saturnus on noin kaksi kertaa niin kaukana Auringosta kuin Jupiter. Uranus on noin kaksi kertaa niin kaukana Auringosta kuin Saturnus. Neptunuksesta eteenpäin kaava ei enää päde.
Yksi luku on avannut avaruuden
Astronomisen yksikön täsmentyminen auttoi tähtitieteilijöitä perehtymään syvällisemmin Aurinkokuntaan. Etäisyystietojen pohjalta voitiin määrittää taivaankappaleiden todellinen koko. Sittemmin on pystytty arvioimaan planeettojen massa siitä, miten ne vetävät puoleensa kuita tai ohittavia luotaimia, ja määrittämään Newtonin painovoimalain avulla, paljonko vetovoima antaa vauhtia muille taivaankappaleille.
Mittoja käytetään muun muassa avaruuslentojen suunnittelussa tarvittavien efemeridien eli taivaankappaleiden sijainnin tiettyinä aikoina ilmoittavien taulukoiden tarkentamiseen. Efemeridit laskevat myös taivaanmekaniikan perustan. Kyse on tieteenalasta, joka esimerkiksi tutkii, miksi Aurinkokunta näyttää sellaiselta kuin se näyttää ja millaiseksi se ajan mittaan kehittyy.
Näin paljon planeetat liikkuvat 10 sekunnissa
Mitä lähempänä planeetta on Aurinkoa, sitä enemmän Auringon painovoima vaikuttaa siihen ja sitä nopeammin se liikkuu kiertoradallaan. Ylinnä näkyy uloin planeetta, Neptunus, ja sen alla Saturnus, Maa ja lähinnä Aurinkoa kiertävä Merkurius.
Nykyään matka kaukaisiin galakseihin ilmaistaan paljon astronomista yksikköä suurempina yksiköinä, kuten parsekeina. Toisista planeettakunnista puhuttaessa astronomisella yksiköllä voidaan kuvata kuitenkin sitä, kuinka niiden kappaleet kiertävät tähteään Aurinkokuntaan verrattuna. Yksikkö voi auttaa arvioimaan, onko jokin Maata muistuttava planeetta, maapallo 2.0, tähteä ympäröivällä elämänvyöhykkeellä.
Vuoden 1769 Venuksen ylikulku sai tähtitieteilijät ensimmäisen kerran tekemään kansainvälistä yhteistyötä.
Cookin tutkimusmatkan aikana Ranska, jonka hallinnassa Tahiti oli, antoi Endeavourin purjehtia rauhassa, koska se oli ”koko ihmiskunnan asialla”. Kansainvälinen yhteistyö saattaa olla välttämätöntä myös tulevaisuuden Mars-lennolla. Se vaatii samaa intoa kuin vuoden 1769 tutkimushanke, jossa mentiin toiselle puolelle maapalloa seuraamaan Venuksen kulkua Auringon editse.
Mihin Aurinkokunta päättyy?
Pidetään mahdollisena, että Aurinkokuntaa rajaa pallomainen kuori, jossa biljoonat jäiset komeetat ja muut kappaleet kiertävät Aurinkoa. Tätä niin sanottua Oortin pilveä ei ole koskaan havainnoitu, mutta jääkomeetat, joiden kiertoaika on peräti yli 200 vuotta, vihjaavat sen olemassaolosta.
Komeetat voivat olla lähtöisin vain Kuiperin vyöhykkeen ulkopuolelta, ja on esitetty, että ne ovat aikoinaan työntyneet pois Oortin pilven ei-kenenkään-maalta. Kohtaamiset muiden tähtienvälisten kappaleiden kanssa ovat ohjanneet ne kohti Aurinkokunnan keskiosia.
Oortin pilven oletetaan sijaitsevan 1 000–100 000 au:n päässä Auringosta – kaukana 30–50 au:n päässä olevan Kuiperin vyöhykkeen takana. Vuonna 1977 lähetetty Voyager 1 -luotain saavuttaa pilven noin 300 vuoden kuluttua ja poistuu siitä 30 000 vuotta myöhemmin.