Hur långt är solen? Det verkar som om man knappast kunde ställa en mer enkel fråga. Men denna undersökning gjorde astronomer mer än två tusen år.
Visst är det en fråga av nästan oöverträffad betydelse, som överskuggas i historien, kanske bara genom att leta efter jordens storlek och massa. Känd idag som astronomisk enhet, avståndet fungerar som vår referens inom solsystemet och baslinjen för att mäta alla avstånd i universum.
Tänkare i antika Grekland var bland de första som försökte konstruera en omfattande modell av kosmos. Med bara observationer med blotta ögon kunde några saker utarbetas. Månen vävde stort på himlen så det var förmodligen ganska nära. Solförmörkelser avslöjade att månen och solen var nästan exakt samma vinkelstorlek, men solen var så mycket ljusare att det kanske var större men längre bort (detta tillfällighet beträffande solens och månens uppenbara storlek har varit av nästan obeskrivlig betydelse i främja astronomi). Resten av planeterna verkade inte större än stjärnorna, men tycktes ändå flytta snabbare; de var troligen på ett mellanliggande avstånd. Men kan vi göra något bättre än dessa vaga beskrivningar? Med uppfinningen av geometri blev svaret ett rungande ja.
Det första avståndet som mättes med någon noggrannhet var månens. I mitten av 2000-talet fvt pionjerade den grekiska astronomen Hipparchus användningen av en metod känd som parallax. Idén med parallax är enkel: när objekt observeras från två olika vinklar verkar närmare objekt förskjutas mer än längre. Du kan enkelt visa detta för dig själv genom att hålla ett finger i armlängden och stänga det ena ögat och sedan det andra. Lägg märke till hur fingret rör sig mer än saker i bakgrunden? Det är parallax! Genom att observera månen från två städer med ett känt avstånd från varandra använde Hipparchus en liten geometri för att beräkna sitt avstånd till inom 7% av dagens moderna värde - inte illa!
Med avståndet till månen känd inriktades scenen på att en annan grekisk astronom, Aristarchus, skulle ta det första sticket vid att bestämma jordens avstånd från solen. Aristarchus insåg att när månen var exakt halv upplyst, bildade den en rätt triangel med jorden och solen. Nu när han känner till avståndet mellan jorden och månen, allt han behövde var vinkeln mellan månen och solen i detta ögonblick för att beräkna solens avstånd. Det var lysande resonemang som underminerades av otillräckliga observationer. Aristarchus uppskattade att vinkeln var 87 grader utan att ha blicken att gå vidare, inte särskilt långt från det verkliga värdet 89,83 grader. Men när avstånden är enorma kan små fel snabbt förstoras. Hans resultat blev av med en faktor på mer än tusen.
Under de kommande två tusen åren skulle bättre observationer tillämpade på Aristarchus metod få oss inom 3 eller 4 gånger det verkliga värdet. Så hur kan vi förbättra detta ytterligare? Det fanns fortfarande bara en metod för att direkt mäta avstånd och det var parallax. Men att hitta solens parallax var mycket mer utmanande än månens. När allt kommer omkring är solen i grund och botten oöverträffad och dess otroliga ljusstyrka utplånar alla synpunkter vi kan ha på stjärnorna som lurar bakom. Vad kan vi göra?
Vid artonhundratalet hade dock vår förståelse av världen gått väsentligt. Fysikområdet var nu i sin barndom och det gav en kritisk ledtråd. Johannes Kepler och Isaac Newton hade visat att avstånden mellan planeterna alla var relaterade; hitta en så känner du dem alla. Men skulle någon vara lättare att hitta än jordens? Det visar sig att svaret är ja. Ibland. Om du har tur.
Nyckeln är transitering av Venus. Under en transitering korsar planeten framför solen sett från jorden. Från olika platser verkar Venus korsa större eller mindre delar av solen. Genom att tidtaga hur lång tid dessa övergångar tar, insåg James Gregory och Edmond Halley att avståndet till Venus (och därmed solen) kunde bestämmas (Intresserad av den snygga skit av hur detta görs? NASA har en ganska fin förklaring här.) . Nu är det dags när jag brukar säga något som: Verkar ganska enkelt, eller hur? Det finns bara en fångst ... Men det har kanske aldrig varit mer osant. Oddsen var så staplad mot framgång att det verkligen är ett bevis på vikten av denna mätning att någon till och med försökte den.
Först och främst är transiter av Venus extremt sällsynta. Som en sällsynt en gång i livet (även om de kommer parvis). När Halley insåg att den här metoden skulle fungera visste han att han var för gammal för att ha en chans att fullborda den själv. Så i hopp om att en framtida generation skulle utföra uppgiften skrev han ut specifika instruktioner om hur observationerna måste genomföras. För att slutresultatet skulle ha önskad noggrannhet, måste tidpunkten för transiteringen mätas till den andra. För att ha en stor åtskillnad på avstånd skulle observationsplatserna vara belägna vid jordens avlägsna sträckor. Och för att säkerställa att molnigt väder inte förstör chansen för framgång skulle observatörer behövas på platser över hela världen. Prata om ett stort företag i en tid då transkontinentalt resor kan ta år.
Trots dessa utmaningar beslutade astronomer i Frankrike och England att de skulle samla in nödvändiga data under transitt 1761. Vid den tiden var situationen emellertid ännu värre: England och Frankrike var inbäddade i sjuårskriget. Resor till sjöss var nästan omöjligt. Trots detta fortsatte ansträngningen. Även om inte alla observatörer var framgångsrika (molnen blockerade några, krigsfartyg andra), i kombination med data som samlats in under en annan transit åtta år senare, hade åtagandet varit en framgång. Den franska astronomen Jerome Lalande samlade in alla uppgifter och beräknade det första exakta avståndet till solen: 153 miljoner kilometer, bra till inom tre procent av det verkliga värdet!
En kort sida åt sidan: antalet vi pratar om här kallas jordens halv-huvudaxel, vilket betyder att det är det genomsnittliga avståndet mellan jorden och solen. Eftersom jordens omloppsbana inte är helt rund, kommer vi faktiskt cirka 3% närmare och längre under ett år. Liksom många nummer i modern vetenskap har den formella definitionen av den astronomiska enheten ändrats lite. Från och med 2012 är 1 AU = 149.597.870.700 meter exakt, oavsett om vi finner att jordens halv-huvudaxel är något annorlunda i framtiden.
Sedan de banbrytande observationer som gjordes under Venus transitering har vi förfinat vår kunskap om avståndet mellan jord och sol enormt. Vi har också använt den för att öppna förståelsen för universums enorma omfattning. När vi visste hur stor jordens omloppsbana var, kunde vi använda parallax för att mäta avståndet till andra stjärnor genom att göra observationer avstånd från sex månader (när jorden har rest till andra sidan solen, ett avstånd på 2 AU!) . Detta avslöjade ett kosmos som sträckte sig oändligt och så småningom skulle leda till upptäckten att vårt universum är miljarder år gammalt. Inte illa för att ställa en enkel fråga!
