Hoe ver is de zon? Het lijkt alsof je nauwelijks een eenvoudigere vraag kunt stellen. Toch veroorzaakte dit onderzoek astronomen meer dan tweeduizend jaar.
Het is zeker een kwestie van bijna ongeëvenaard belang, overschaduwd in de geschiedenis, misschien alleen door het zoeken naar de grootte en massa van de aarde. Vandaag bekend als de astronomische eenheid, de afstand dient als onze referentie binnen het zonnestelsel en de basislijn voor het meten van alle afstanden in het heelal.
Denkers in het oude Griekenland waren een van de eersten die probeerden een alomvattend model van de kosmos te construeren. Met niets anders dan met het blote oog waarnemen, konden een paar dingen worden opgelost. De maan doemde groot aan de hemel op, dus het was waarschijnlijk redelijk dichtbij. Zonsverduisteringen onthulden dat de maan en de zon bijna exact dezelfde hoekgrootte hadden, maar de zon was zo veel helderder dat ze misschien groter was maar verder weg (dit toeval met betrekking tot de schijnbare grootte van de zon en de maan is van bijna onbeschrijfelijk belang geweest in voortschrijdende astronomie). De rest van de planeten leek niet groter dan de sterren, maar leek toch sneller te bewegen; ze waren waarschijnlijk op een tussenliggende afstand. Maar kunnen we het beter doen dan deze vage beschrijvingen? Met de uitvinding van de geometrie werd het antwoord een volmondig ja.
De eerste afstand die met enige nauwkeurigheid kon worden gemeten, was die van de maan. In het midden van de 2e eeuw voor Christus was de Griekse astronoom Hipparchus een pionier in het gebruik van een methode die bekend staat als parallax. Het idee van parallax is simpel: wanneer objecten vanuit twee verschillende hoeken worden bekeken, lijken dichterbij gelegen objecten meer te verschuiven dan verder. U kunt dit eenvoudig zelf demonstreren door een vinger op armlengte te houden en het ene oog en vervolgens het andere oog te sluiten. Merk op hoe je vinger meer beweegt dan dingen op de achtergrond? Dat is parallax! Door de maan vanuit twee steden op een bekende afstand van elkaar te observeren, gebruikte Hipparchus een kleine geometrie om de afstand te berekenen tot binnen 7% van de moderne waarde van vandaag - niet slecht!
Omdat de afstand tot de maan bekend was, was het podium klaar voor een andere Griekse astronoom, Aristarchus, om de eerste steek te nemen om de afstand van de aarde tot de zon te bepalen. Aristarchus realiseerde zich dat toen de maan precies half verlicht was, hij een rechthoekige driehoek vormde met de aarde en de zon. Nu hij de afstand tussen de aarde en de maan kende, had hij op dit moment alleen de hoek tussen de maan en de zon nodig om de afstand van de zon zelf te berekenen. Deze briljante redenering werd ondermijnd door onvoldoende waarnemingen. Met niets anders dan zijn ogen om door te gaan, schatte Aristarchus deze hoek op 87 graden, niet erg ver van de werkelijke waarde van 89,83 graden. Maar als de afstanden enorm zijn, kunnen kleine fouten snel worden vergroot. Zijn resultaat was met een factor van meer dan duizend afwijken.
In de komende tweeduizend jaar zouden betere waarnemingen toegepast op de Aristarchus-methode ons binnen drie of vier keer de werkelijke waarde brengen. Dus hoe kunnen we dit verder verbeteren? Er was nog maar één methode om de afstand rechtstreeks te meten en dat was parallax. Maar het vinden van de parallax van de zon was veel uitdagender dan die van de maan. De zon is tenslotte in wezen zonder karakter en zijn ongelooflijke helderheid vernietigt elk zicht dat we zouden kunnen hebben op de sterren die op de loer liggen. Wat kunnen we doen?
Tegen de achttiende eeuw was ons begrip van de wereld echter aanzienlijk verbeterd. Het gebied van de natuurkunde stond nu nog in de kinderschoenen en het bood een kritische aanwijzing. Johannes Kepler en Isaac Newton hadden aangetoond dat de afstanden tussen de planeten allemaal gerelateerd waren; zoek er een en je zou ze allemaal kennen. Maar zou iemand gemakkelijker te vinden zijn dan die van de aarde? Het antwoord blijkt ja te zijn. Soms. Als je geluk hebt.
De sleutel is de doorvoer van Venus. Tijdens een transitie kruist de planeet voor de zon vanaf de aarde. Vanaf verschillende locaties lijkt Venus grotere of kleinere delen van de zon over te steken. Door te timen hoe lang deze kruisingen duren, realiseerden James Gregory en Edmond Halley zich dat de afstand tot Venus (en dus de zon) kon worden bepaald (Geïnteresseerd in de kern van hoe dit wordt gedaan? NASA heeft hier een aardige uitleg beschikbaar.) . Dit is het moment waarop ik gewoonlijk iets zou zeggen als: Lijkt me vrij eenvoudig, toch? Er is maar één addertje onder het gras ... Maar misschien is dat nog nooit zo onwaar geweest. De kansen waren zo gestapeld tegen succes dat het echt een bewijs is van het belang van deze meting dat iemand het zelfs heeft geprobeerd.
Ten eerste zijn transits van Venus uiterst zeldzaam. Zoals once-in-a-lifetime zeldzaam (hoewel ze in paren voorkomen). Tegen de tijd dat Halley besefte dat deze methode zou werken, wist hij dat hij te oud was om hem zelf te kunnen voltooien. Dus in de hoop dat een toekomstige generatie de taak zou uitvoeren, schreef hij specifieke instructies over hoe de waarnemingen moesten worden uitgevoerd. Om het eindresultaat de gewenste nauwkeurigheid te geven, moest de timing van de doorvoer tot op de seconde nauwkeurig worden gemeten. Om een grote afstand in afstand te hebben, moeten de waarnemingslocaties zich op de verre uithoeken van de aarde bevinden. En om ervoor te zorgen dat bewolkt weer de kans op succes niet verpest, zijn waarnemers over de hele wereld nodig. Praat over een grote onderneming in een tijdperk waarin transcontinentaal reizen jaren zou kunnen duren.
Ondanks deze uitdagingen besloten astronomen in Frankrijk en Engeland dat ze tijdens de transitie van 1761 de nodige gegevens zouden verzamelen. Tegen die tijd was de situatie echter nog erger: Engeland en Frankrijk waren verwikkeld in de Zevenjarige Oorlog. Reizen over zee was bijna onmogelijk. Toch bleef de inspanning bestaan. Hoewel niet alle waarnemers succesvol waren (sommige wolken blokkeerden, andere oorlogsschepen), was de onderneming, in combinatie met gegevens die tijdens een andere doorvoer acht jaar later waren verzameld, een succes. De Franse astronoom Jerome Lalande verzamelde alle gegevens en berekende de eerste nauwkeurige afstand tot de zon: 153 miljoen kilometer, goed tot op drie procent van de werkelijke waarde!
Even terzijde: het nummer waar we het hier over hebben, wordt de aarde genoemd halve grote as, wat betekent dat het de gemiddelde afstand is tussen de aarde en de zon. Omdat de baan van de aarde niet perfect rond is, komen we in de loop van een jaar ongeveer 3% dichterbij en verder. Ook is, zoals veel getallen in de moderne wetenschap, de formele definitie van de astronomische eenheid een beetje veranderd. Vanaf 2012 was 1 AU = 149.597.870.700 meter precies, ongeacht of we merken dat de semi-grote as van de aarde in de toekomst iets anders is.
Sinds de baanbrekende waarnemingen tijdens de doortocht van Venus, hebben we onze kennis van de afstand aarde-zon enorm verfijnd. We hebben het ook gebruikt om inzicht te krijgen in de uitgestrektheid van het heelal. Toen we eenmaal wisten hoe groot de baan van de aarde was, konden we parallax gebruiken om de afstand tot andere sterren te meten door waarnemingen met een tussenruimte van zes maanden uit te voeren (wanneer de aarde naar de andere kant van de zon is gereisd, een afstand van 2 AU!) . Dit onthulde een kosmos die oneindig lang doorging en uiteindelijk zou leiden tot de ontdekking dat ons universum miljarden jaren oud is. Niet slecht voor het stellen van een duidelijke vraag!
