Löysin Ylen areenan podcasteista vuonna 2015 tehdyn ’Tähtitieteen historian’, jonka toiseksi viimeisessä osassa Tapio Markkanen kertoi, että vuosina 1761 ja 1769 turkulainen Turun Akatemian professori Anders Planman mittasi Venuksen ylikulun havaintomatkoillaan Suomessa usean paikkakunnan maantieteellisen aseman.
Paikkakunnan leveyspiirin ja pituuspiirin mittaamisesta 260 vuotta sitten on aiemmat artikkelit ja ne kannattaa käydä lukemassa ennen tähän artikkeliin syventymistä. Ja nyt lopulta tutustutaan Venuksen ylikulun tapahtumiin 1760-luvulla.
Etäisyys aurinkoon – tähtitieteen kyynäräkeppi
Keplerin tutkimusten perusteella osattiin jo 1600-luvulla laskea aurinkokunnan etäisyydet suhteessa aurinkoon eli yksikkönä käytettiin auringon etäisyyttä maapallosta, AU. Mutta absoluuttista etäisyyttä pystyttiin vain arvelemaan. Tutkimustensa perusteella Kepler ehdotti Venuksen ylikulkua auringon etäisyyden laskemiseksi.
Venuksen ylikulku on siirtyminen radallaan auringon ja maapallon välissä niin, että se havaitaan maapallolta. Maan ja Venuksen rataprofiileista johtuen se on harvinainen ilmiö ja tapahtuu erikoisella neljän jakson syklillä: 105,5 vuotta, kahdeksan vuotta, 121,5 vuotta ja kahdeksan vuotta.
Keplerin tekemän ehdotuksen jälkeen seuraava ylikulku vuonna 1631 ei näkynyt Euroopassa, mutta vuonna 1639 James Horrocks arvioi parallaksin arvoksi 14°. Silloin etäisyydeksi maasta aurinkoon tulisi maapallon säteellä noin 94 miljoonaa kilometriä eli vajaat 2/3 oikeasta etäisyydestä.
Seuraavaa ylikulkuparia 1761 ja 1769 on selostetaan tässä artikkelissa ja 50 vuotta aiemmin Edmond Halley oli vuonna 1716 ehdottanut parallaksin laskemista perustuen eri paikkakunnilla tehtäviin ylikulun keston mittauksiin. Ehdotuksessaan hän mainitsi, että parallaksi silloin arvioitiin olevan noin 12,5°.
Parallaksi syntyy allaolevan kuvan mukaisesti, sillä pohjoisemmalla paikkakunnalla Venus näyttää liikkuvan alempaa rataa kuin eteläisellä paikkakunnalla. Ylikulku kestää noin kuusi tuntia, mutta keskinäiset ylikulun kestoajat eroavat muutamasta minuutista kymmeneen minuuttiin. Niinpä Halley kehotti tutkijoita levittäytymään mahdollisimman laajasti maapallolle, missä ylikulku vain näkyi.
Pariisissa vuonna 1760 ranskalainen Jean Nicholas Delisle ehdotti rinnakkaista menetelmää Auringon parallaksin saamiseksi, joka poikkesi Halleyn menetelmästä; tarvitsi tallentaa planeetan yhden ainoan Auringon sisäisen kosketuksen tarkka aika kahdesta eri havaintopaikasta, joiden leveys- ja pituusaste oli tiedettävä tarkasti. Näin ollen joko toisen tai kolmannen kosketuksen havainnointi riittäisi; ei enää tarvinnut havaita sekä Venuksen sisään- että ulostuloa, kuten Halleyn menetelmässä edellytettiin.
Avaruusluotaimilla on määritelty auringon parallaksin keskimääräiseksi arvoksi 8,794 kaarisekuntia. Mittausten kannalta määritelmä keskimääräinen on olennainen asia, sillä maan elliptisen radan vuoksi se vaihtelee 8,944 ja 8,650 kaarisekunnin välillä. Tammikuun alussa se on suurimmillaan ja heinäkuun alussa pienimmillään. Tosin tiedemiehet ovat aina suhteuttaneet laskelmat keskimääräiseen arvoon.
Venuksen ylikulku 6.6.1761
Kun 1639 Venuksen ylikulkua oli havaittu vain kahdessa paikassa Englannissa, kaukoputket olivat nyt valmiina yli 80 paikkakunnalla noin kahden tusinan valtakunnan alueella.
Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia vastasi vuonna 1761 haasteeseen järjestämällä havaintoja 10 paikkakunnalla, joista raportoitiin akatemian vuosijulkaisussa tuoreeltaan tapahtuneen Tukholmassa, Uppsalassa, Kajaanissa, Turussa, Härösundissa, Kalmarissa, Karlskronassa, Lundissa, Landskronassa ja Torniossa. /1/
Tiedeakatemian sihteerin Pehr Wargentinin yleiskatsaus Ruotsin järjestämiin havaintoihin on vallan oivallinen artikkeli tapahtuneesta. Erityisesti Tukholman observatorion tapahtumat yllättävät lukijan, sillä tapahtuman alkaessa Wargentin kertoo:
”Herra lehtori WILCKE havainnoi kahden jalan peiliteleskoopilla. Kamari herralle ja majuri Baron von SETHille, kuninkaallisen ritarikunnan arkistonhoitajalle, herra tohtori GADOLINille, herra professorille, LEHNBERGille ja herra C. LEHNBERGille annettiin myös pienemmät putket; mutta huone ei sallinut heidän kaikkien olla kellon lähellä, koska oli välttämätöntä kuulla häntä, joka laski sekunteja kovalla äänellä.”
Kesäkuussa kuuden tunnin saaminen näkyvään seurantaan on otollisinta maapallon pohjoisimmalla alueelle, joten Anders Planmanin oli tarkoitus havaita Venuksen ylikulku Suomen Lapissa. Mutta 1700-luvulla olosuhteet muuttivat matkasuunnitelmia kuten hän elävästi kertoo:
”Jätin tarvitsemani laitteet mainitun vuoden helmikuun 2. päivänä ja saavuin Turkuun ilman merimatkan vaaroja samassa kuussa, voitettuani ne onnistuneesti. Sieltä matkustin suoraa reittiä Suomen läpi. Mutta on vaikea sanoa, kuinka paljon viivästystä aiheutti lumi, joka usein nousi 1,2 metrin korkeuteen; hevoset olivat nimittäin selkäänsä myöten veden alla, ja tämä useimmiten, koska maankuori pehmeni kevään kuumuudesta. Niinpä minun piti turhaan raivata tieni hevosen selässä, varsinkin metsien läpi. Koska olin siis täysin menettänyt toivoni päästäkseni Lapin kaukaisimpiin kolkkiin, päätin päästä Kajaaninlinnaan kaikin keinoin ja huolehdin siitä, että tähtitieteelliset laitteet kuljetettiin ihmisvoimin. Aina kun metsät olivat laajoja, kun minä ja seuralaiseni kävelimme jalan, olin usein upoksissa käsivarsiani myöten lumeen, josta en päässyt pois ilman muiden apua. Niinpä lopulta 14. huhtikuuta saavuin Kajaaninlinnan.”
Kun olen Novan putkien kanssa kokenut kohteen seurannan onnistuvan vaihtelevalla menestyksellä, miten ihmeessä yli kuuden metrin putkella voidaan tuntikausia pitää aurinko näkyvissä. Ilmeisesti observatorioissa, kuten Tukholmassa (ei kuitenkaan näy ylläolevassa pienoismallissa), kaukoputket olivat liikuteltavilla telineillä ja massakeskipisteeseen kiinnitettyä kaukoputkea voitiin ohjata taljoin. Mutta miten Planman pärjäsi matkustettaessa koilliseen Suomeen ja siihen hän vastaa itse väitöskirjassaan:
”Eri ylikulun kontaktien tarkkailemiseksi minulla oli linssi, jonka objektiivin polttoväli oli 21 ruotsalaista jalkaa ja okulaarin pituus kaksi ja puoli tuumaa. Sen tukipiste oli sijoitettu siten, että sen etuosaa voitiin vähitellen nostaa väkipyörän avulla tarkkailijan pyynnöstä, kun taas takaosa oli suunnattava vain vaakasuoraan Auringon kulkuun nähden. Näin tehtyäni tarkkailtava Aurinko ei edes kadonnut näkökentästäni putkessa silmänräpäyksessä. Auringon voiman torjumiseksi minulla oli kaksi punertavalla värillä sävytettyä lasia; käytin kirkkaampaa sekä kontaktiin 2 että kontaktiin 3, jotta auringon reunan ohuin lanka näkyisi silmissä selkeämmin. Seuraavaksi haluan muistuttaa teitä siitä, että olen totuttanut sekä vasemman että oikean silmäni havaintoihin, niin että voin ottaa mikrometrin havainnot toisella silmällä ja kosketushetket toisella, ettei toinen silmä, joka on tarkkaillut aurinkoa useita tunteja, menettäisi kykyään havaita laskun alkua ja loppua tarkasti.”
Tämän luettuani täytyy nostaa hattua korkeuksiin Planmanin tekemisestä, sillä Stellariumista pystyy tarkistamaan, miten ylimenon ajan mittaaminen onnistui. Hän saavutti Venuksen kuuden tunnin keston mittauksessa vain kolme aikasekuntia erilaisen tuloksen.
Planman onnistui havainnoimaan kaikki neljä kontaktihetkeä ja jos joku muukin oli onnistunut, saataisiin etäisyys aurinkoon laskettua. Ja tuloksia oli, mutta täysin kiistatonta tuloksista ei saatu.
Planman esitti tuloksensa väitöskirjassaan 1763 /2/, josta edellisessä artikkelissa käytiin läpi kellon tarkistus. Siinä ja samoin perustein esitetyssä Ruotsin tiedeakatemian vuosikirjassa /3/ muutamaa kuukautta myöhemmin hän päätyy ehdottamaan auringon parallaksiksi 8,2”.
Vasemmalla Stellariumin näkemys Venuksen ylikulusta 6.6.1761 Kajaanista katsottuna, mutta ekvatoriaalisena näkymänä ja oikealla Venuksen kuuden tunnin ylikulku animaationa.
Hän kuvaa selkeästi myös havaintoja hankaloittaneesta ”mustasta kaistaleesta” Venuksen ja Auringon reunan välillä. Havaintojen kriittisiä hetkiä olivat ylikulun alussa auringon pilkistäminen Venuksen siirtyessä kokonaan aurinkoon ja ylikulun lopussa Venuksen tarttuminen auringon reunaan. Tällöin tapahtui optinen vääristymä, black drop effect -ilmiö, jolloin auringon ja Venuksen reunat eivät pysyneetkään selkeinä. Koska useissa havaintopaikoissa oli useampia havainnoijia, saatiin kaikkien hämmästykseksi jopa yli kymmenien sekuntien eroja, vaikka käytössä oli sama ajanotto. James Shortin mukaan kymmenellä paikkakunnalla, joissa oli useampia havainnoijia, keskimääräinen ero oli yli kuusi sekuntia /4/.
1700-luvun maantieteellisen paikannuksen taso oli vaihteleva ja merkittävä tulosten hajontaa aiheuttava seikka. Erityisesti pituuspiirin mittaamisessa oli puutteellisuuksia, mutta esimerkiksi Walesin prinssin linnakkeen tunnettu sijainti Kanadan Hudson Bayssa oli 25 kilometriä virheellinen.
Asiaa tietysti hankaloitti myös alkeelliset auringonsuotimet ja linssiputkien akromaattiset virheet. Anders Planman huomasi myös jälkikäteen, että kellon kanssa oli tullut minuutin virhe ylikulun loppuvaiheen alettua.
Hän myös totesi, että nyt oli saatu kaksi sekuntia pienempi arvo kuin de La Caille vuonna 1750 Hyväntoivonniemellä. Vuotta myöhemmin Planman tarkensi laskelmia ja sai auringon parallaksiksi 8,25° /5/.
Englantilainen James Short vertasi joulukuussa 1763 noin 20 havainnon keskinäistä vaikutusta /6/ ja sai keskiarvoksi 8,56°. Short huomasi myös Planmanin minuutin virheen, joka oli myös tehty Turun mittauksissa.
Tähtitiede vaatii omistautumista, mutta ranskalainen Guillaume Le Gentil de la Galaisière nostaa riman korkealle. Hän lähti matkalle Intian Pondicherryyn maaliskuussa 1760 mutta sota Englannin ja Ranskan välillä teki matkasta hankalan ja punataudista kärsivä käänsi suunnan kohti Madagaskaria. Mutta hän myöhästyi ylikulusta muutamalla viikolla ja päätti jäädä alueelle ja odottaa vuoden 1769 ylikulkua. Odotusaika kului tutkimusmatkoihin, tähtikartoituksiin ja sairauksien kanssa kamppailuun, mutta toivo uuden yrityksen onnistumisesta piti hänet liikkeellä. Todellinen ’once in a life time’-asenne.
Venuksen ylikulku 3.6.1769
Aiemmasta kokemuksesta viisastuneena lähdettiin toiveikkaina matkaan kahdeksan vuotta myöhemmin. Vaikka havainnoijia oli enemmän, Ruotsin tiedeakatemia päätti panostaa enemmän laatuun kuin määrään ja nyt varustettiin kuusi havainnointipaikkaa entistä kokeneemmin voimin. Maailmalla muun muassa kapteeni James Cook sai Tyynen valtameren matkallaan tehtäväksi havainnoida Venuksen ylikulku.
Venuksen ylikulun koko näkyvyys oli painottunut Tyynen meren alueelle ja maapallon pohjoisosiin, joten suuressa määrin havaintopaikkoja jouduttiin tyytymään vain osittaisiin havaintoihin. Jos sääolosuhteet sallivat.
Väitöskirjansa jälkeen Turun Akatemian professoriksi vuonna 1763 nimitetty Anders Planman matkusti jälleen Kajaaniin. Ja keikasta meinasi tulla pannukakku, sillä juuri 3. kesäkuuta oli pilvistä ja keskipäivällä ei pystytty tarkistamaan paikallista aurinkoaikaa. Mutta ylikulun alkaessa pilviverho avutui ja Planman sai mitattua hetken, jolloin Venus siirtyi kokonaan aurinkoon. Hän sai vielä mitattua teodoliitilla Venuksen ja auringon korkeudet ja atsimuutit. Sen jälkeen pilvet ottivat vallan ja ukonilma vielä pahensi tilannetta. Taivas osin selkeni Venuksen siirtyessä kokonaan auringon reunan ohi, mistä Planman pystyi interpoloimaan hetken , jolloin auringon peittämä Venus kosketti auringon reunaa. Vaikka ’mustan kaistaleen’-ilmiötä varten oli varauduttu, sai Planmanin avustaja kolme sekuntia eroavan ajan /7/, /8/.
Tuloksia oli taas saatu, mutta edelleen sääolosuhteet, havaintotekniikka sekä laitteiden tekniikka aiheuttivat hajontaa. Venuksen ylikulkuhavaintojen muuttaminen parallaksiksi ei mene ihan Elon laskuopin mukaan, ja vaikka kaikki havainnot otettiin tarkasteluun, kummasti sieltä vain putkahti erilaisia tuloksia. Tulokset vaihtelivat 8,43 ja 8,80 kaarisekunnin välillä.
Erityisesti pituuspiirin mittaamisessa oli edelleen puutteellisuuksia, sillä esimerkiksi Walesin prinssin linnakkeen tunnettu sijainti Kanadan Hudson Bayssa oli 25 kilometriä virheellinen Eulerin laskelmissa.
Pietarissa, tuossa vieressä, yksi tieteen suurnimistä, Leonhard Euler antoi parallaksilaskennan nuoren apulaisensa Anders Lexellin tehtäväksi /9/, /10/, /11/. Hänen laskelmansa aiheuttivat aikamoisen kalabaliikin, johon liittyivät
Lexell sai parallaksin arvoksi 8,68 kaarisekuntia, Hell 8,7”, LaLande 8,5” tai 8,6” ja Planman 8,43”. Ilmeisesti Lexellin laskennan yhteydessä olleet arvioinnit havaintojen onnistumisesta olivat riidan pääsyy, ei niinkään tulosten lukemat.
Vuoden 1769 tuloksia laskettiin vielä kauan tämän jälkeen, Johann Encke sai vuonna 1824 tulokseksi 8,5776” ja vuonna 2004 Francois Mignard laski kaikista kontaktien 2 ja 3 välisten kestojen havainnoista keskiarvoksi 8,61”.
Koska parallaksin arvo historiallisesti oli jatkuvasti laskenut, voisi jälkiviisaana ajatella, että alhaisimman arvon laskenut Planman saattoi ajatella olevansa ’kisan’ kärjessä. Häneltä jäi vain huomaamatta oikean arvon ohitus.
Palataan vielä Guillaume Le Gentileen, jonka jätimme odottamaan vuoden 1769 ylikulkua. Le Gentil oli valmis toiseen yritykseen, tällä kertaa alkuperäisessä paikassaan, Pondichéryssä. Hän oli rakentanut huolelliset havaintolaitteet ja valmistautunut perusteellisesti, mutta ylikulun päivänä taivas peittyi pilviin juuri ratkaisevalla hetkellä. Yhdentoista vuoden poissaolon jälkeen hän palasi Ranskaan vuonna 1771 vain huomatakseen, että hänet oli virallisesti julistettu kuolleeksi, hänen vaimonsa oli mennyt uudelleen naimisiin ja hänen omaisuutensa sekä virkansa oli jaettu muille. Joskus tähtitieteilijän suurin koettelemus on itse elämä.
Yhteenveto artikkelisarjasta
Tähän onkin hyvä tehdä yhteenvetoa vanhojen asioiden kaivamisestani tänä kesänä. En ole laittanut ylös urakan aloituspäivää, mutta 19.6 olen perustanut koneelleni Planmanin kansioni, joten ehkäpä kesäkuun alkupuolella tämä alkoi.
Aluksi oli vain tarkoitus kertoa Planmanin matkoista, mutta sitten menin itse laskemaan asioita, ja sukelsin syvempään päätyyn. Samalla tuli perinpohjaisesti tutustuttua myös sekstanttiin, mutta Planmanin ja kumppaneiden artikkelit ne vasta ihastuttavan maailman aukaisivat .
En väitä aiemmin vähätelleeni parin sadan vuoden tähtitieteilijöitä, onhan Erastosthenen, Brahen, Keplerin, Galilein ja Newtonin ansiota nykyisen tietämyksemme pohja, mutta tällä matkallani arvostukseni nousu humisi päässäni.
Loppukaneettina saattaa tulla vielä neljäs artikkeli, sillä viimeiset viikot olen pyörinyt parallaksilaskelmien ympärillä. Paljon olen siitäkin oppinut, mutta heikolta teoriapohjalta ponnistaneena se on vielä hankalaa. Ja saattaa jäädäkin, joten en lupaa mitään.
[1] Wargentin, Pehr. OBSERVATIONER På Planeten Veneris gång genom Solens Discus, om äro gjorde i Stockholm, Upsala, Åbo, Carlscrona, Lund, Landscrona, Cajaneborg den 6 Junii 1761. Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar, April, Maj och Juni i år 1761, pp. 143 – 166.
[2] Planman, Anders. DISSERTATIO DE VENERE IN SOLE VISA DIE 6 JUNII ANNI 1761, Anders Planmanin väitöskirja 23.2.1763, Turun Akatemia, 1763.
[3] Planman, Anders. Solens Parallaxis, Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar, April, Maj och Juni, pp. 118 – 134
[4] Short, James. The observations of the internal contact of Venus with the Sun’s limb, in the late transit, made in different places of Europe, compared with the time of the same contact observed at the cape of good hope, and the parallax of the Sun from thence determined, Philosophical Transactions, The Royal Society, December 1762. pp. 611 – 628.
[5] Planman, Anders. Ytterliga uträkningar på Solens Parallaxis, i anledning av Observationerna på Veneris gång genom solen, d 6. Juni 1761, Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar, April, Maj och Juni, pp. 139 – 142.
[6] Short, James. Second paper concerning the parallax of the sun determined from the observations of the late transit of Venus; in which this subject is length, and the quantity of the parallax more fully ascertained. Philosophical Transactions, The Royal Society, December 1762. pp. 300-345.
[7] Planman, Anders. Venus i Solen den 3. Junii 1769, Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar, Juli, August och September i år 1769, pp. 214 – 218..
[8] Planman, Anders. Expositio observationum transitus Veneris per solem, Cajaneburgi a:o 1769 D. 3 Junii factarum, Carl Widqvistin maisteripresentaatio, Turun Akatemia 1770. (1700-luvulla maisterintutkintoon kuului esittää professorin kirjoittama väitöskirja)
[9] C. Sten, P.P. Aspaas. Anders Johan Lexell’s Role in the Determination of the Solar Parallax , Journal of Astronomical Data. 2013
[10] Lexell, Anders. Uträkning över solens parallaxis, i anledning av observationer, som blivit gjorda över Veneris gång genom solen år 1769. Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar, Juli, August och September i år 1771. pp. 220–234
[11] Lexell, Anders. Uträkning öfver solens parallax, i anledning av de uppå King Georg Eyland gjorde observationer över Veneris gång genom solen, år 1769. Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar, Juli, August och September i år 1771. pp. 301–330