Hvordan den ældgamle kunst at forudsige formørkelse blev en nøjagtig videnskab | Quanta Magasinet

Solformørkelser blev gennem meget af historien tolket som dårlige nyheder for suverænen - et ildevarslende tegn på deres personlige helbred eller rigets helbred. Men den frygt var med til at give næring til tusinder af års stipendium. Dette fremskridt begyndte i Mesopotamien med en jagt på periodiske mønstre i historiske data. Det er kulmineret i en æra, hvor vi kender de indbyrdes afhængige fremtidige bevægelser af solsystemets kroppe århundreder i forvejen, og transformerer det, der engang var årsag til kosmisk skala, til et spørgsmål om koldt urværk.

Hvis du skulle vælge et vendepunkt, kunne det have været om morgenen den 22. april 1715, hvor en solformørkelse truede over London. Den britiske polymat Edmond Halley, bedst husket som navnebror til Halleys komet, havde forudsagt det. Han havde udgivet et broadsheet, der indeholdt et kort over stien, som månens skygge ville tegne over England. Det år havde England en nykronet konge med et oprør i gang mod ham; ved at afmystificere formørkelsen med en forudsigelse, håbede Halley at neutralisere dens kraft som et varsel.

Han ønskede også at rekruttere dataindsamlere, hvis observationer kunne føre til endnu bedre formørkelsesforudsigelser fremover. "De Nysgerrige ønskes at observere det, og især varigheden af ​​Total Darkness," annoncerede han, "... for derved vil Skyggens Situation og dimensioner være pænt bestemt; og ved hjælp heraf kan vi blive sat i stand til at forudsige lignende tilsynekomster for [fremtiden] med en større grad af sikkerhed, end det kan foregives i øjeblikket."

Varsler, der holder takten

Årtier tidligere havde Halley, en ivrig læser af gamle tekster, genopdaget og populariseret en nyttig himmelcyklus til at tænke på formørkelser og månens position på himlen: 6,585 dage eller lidt mere end 18 år. Han kaldte denne cyklus "Saros", som moderne historikere betragter som en fejloversættelse af et sumerisk symbol, der oprindeligt betød noget som "univers" eller "stort tal."

Omkring 600 f.v.t. i Mesopotamien havde assyriske og babylonske præste-matematikere gennemsøgt datoerne for tidligere formørkelser optaget i lertavler i håb om at udvikle strategier til at udlede, hvornår den næste formørkelse kan ske. Formørkelser bekymrede konger i disse kulturer, og snart, med opfindelsen af ​​stjernetegn og personlige horoskoper, ville behovet for at holde styr på solens, månens og planeternes positioner bekymre alle.

De første løsninger var tommelfingerregler. Måneformørkelser fulgte ofte efter et halvt år, f.eks. Babylonierne indså også, at specifikke sol- og måneformørkelser ofte blev adskilt fra en lignende begivenhed af det, Halley kaldte en Saros.

For at forstå denne cyklus i moderne termer, forestil dig himmellegemernes geometri i øjeblikket af en solformørkelse, når månen ligger direkte mellem solen og Jorden, og alle tre kroppe danner en pæn linje. For at dette kan ske, skal månen være en nymåne. Det skal også være på et punkt, hvor dens egen skrå bane rundt om Jorden styrter gennem det plan, hvor Jorden marcherer gennem sin egen bane omkring solen.

Forestil dig nu at rykke uret frem for at finde et tidspunkt, hvor de samme forhold gentager sig. Vi er nødt til at forene flere overlappende, men ulige månecyklusser. Cyklus et: Det tager omkring 29.5306 dage at gå fra den ene nymåne til den næste. Cyklus to: Det tager månen omkring 27.2122 dage at gå fra en passage gennem jordens baneplan til den samme passage på den næste runde. Cyklus tre: Fordi månens elliptiske bane trækker den tættere og længere væk fra Jorden, svinger månen også sin tilsyneladende størrelse og hastighed på himlen over Jorden, en cyklus der tager omkring 27.5546 dage.

Saros er altså bare et fint rundt interval, hvor alle disse cyklusser gentages et helt antal gange: 223 passager gennem nymånen er næsten nøjagtigt lig med 242 omgange ind og ud af ekliptikken, hvilket igen er næsten nøjagtigt det samme til 239 svingninger i månens tilsyneladende størrelse. Hvis du så en sol- eller måneformørkelse, skal du bare vente en Saros, og det samme ru geometriske arrangement af himmellegemerne vil gentage sig.

Månens kredsløb er faktisk mere kompliceret end blot disse parametre. Og uanset hvad fortæller denne ordning dig ikke, hvor på Jorden den resulterende formørkelse vil være synlig.

Halley og Beyond

Da Halley læste om Saros og genoplivede den til eget brug, havde mange flere århundreders multikulturel indsats yderligere forfinet problemet med formørkelser, som matematikhistorikeren Clemency Montelle beskrev i bogen fra 2011 Jagter skygger. Babylonierne bevægede sig til sidst forbi simple empiriske regler som "vent en Saros" til mere komplicerede numeriske skemaer, der beregnede månens fremtidige koordinater på himlen. De gamle grækere smeltede deres egne geometriske ideer om kosmos sammen med numeriske beregninger i babylonsk stil. Med udgangspunkt i denne syntese, trak islamiske verdensastronomer såsom al-Khwarizmi, navnebror af ordet "algoritme" fra det niende århundrede, ind trigonometriske funktioner og decimaltal (fra Indien), som de skrev på det nye medie papir ( fra Kina) for at udvikle endnu mere avancerede forudsigelsesmetoder, som nu også gav genlyd rundt om i Europa.

Men Halley havde noget endnu nyere at lege med. Omtrent samtidig med at han fiskede Saros ud af antikken, finansierede han også offentliggørelsen af ​​sin ven Isaac Newtons ideer om gravitation, som Newton derefter brugte til at forstå månens kredsløb. I 1715, da den første solformørkelse i mange århundreder nærmede sig London, var Halleys forudsigelige kort en blanding af gamle og moderne måder at tænke på.

Det næste store skridt kom i 1824, da den tyske astronom Friedrich Bessel udvidede den newtonske tilgang til at tænke på formørkelser ved hjælp af tyngdelovene. Han forestillede sig månens skygge kastet på et imaginært plan, der løb gennem jordens centrum. Du kunne derefter projicere den skygge tilbage op på klodens overflade for at se præcis, hvor og hvornår skyggen ville ramme, en proces, der til sidst krævede at tænke på Jorden som ikke en kugle, men som en klumpet, ujævn, snurrende genstand. Efter Bessel havde mange nationer den globale, imperiale rækkevidde til at jage disse skygger ned, sagde Deborah Kent, en matematikhistoriker ved University of St. Andrews. Ved at gøre det kunne de yderligere forfine deres beregninger i en kamp om den videnskabelige bløde magts overherredømme.

I løbet af det næste århundrede hjalp formørkelsesekspeditioner med at afgøre et af de største mysterier inden for videnskaben: Skyldes Mercurys mærkelige kredsløb en uopdaget solomspændende planet (som formodentlig ville blive synlig under en formørkelse)? Eller, som det viste sig at være tilfældet, var der et eller andet problem med Newtons forståelse af tyngdekraften? Disse indsatser gjorde forudsigelse og observation af formørkelse endnu vigtigere, idet videnskabsmænd blev sendt til alle jordens hjørner med strenge instruktioner om, hvor de nøjagtigt skulle være, og hvilke data der skulle registreres. De indgav derefter tørre rapporter præget af et lejlighedsvist "udbrud af ærefrygt," sagde Kent. "I næsten hver eneste af dem er der en slags to afsnit med rapsodisk, victoriansk, over-the-top beskrivelse."

I det 20. århundrede ændrede problemet sig igen. En ordentlig forudsigelse af formørkelser måtte altid kæmpe med, at månen og alt andet i solsystemet konstant hiver i hinanden. Dette var ikke kun det berømte uløselige "tre-kropsproblem"; det er en N-kropsproblem. Da NASA begyndte at lancere mennesker og robotter mod solsystemets kroppe, blev behovet for at vide, hvor disse kroppe var, og hvor de ville være i fremtiden, en ny påtrængning - og det blev lettere at finde ud af.

På grund af spejle efterladt på månen af ​​Apollo-astronauterne ved vi, hvor månen er i forhold til Jorden inden for et par meter, ifølge Ryan Park, der leder Solar System Dynamics-gruppen ved NASAs Jet Propulsion Laboratory. Og med flere rumfartøjer, der sender data tilbage, mens de summer rundt i solsystemet, kender vi også solens position med høj nøjagtighed. Parks team feeder månens og solens positionsdata – sammen med lignende parametre for planeterne og hundredvis af asteroider, og korrektioner for ting som tryk fra solvinden og ikke kun lovene for Newtons tyngdekraft, men de mere subtile justeringer af den generelle relativitetsteori – til en computer model. Derefter samler modellen en liste over de forudsagte positioner af alt, inklusive månen. Og så opdaterer JPL-teamet med jævne mellemrum deres model og udgiver nye lister.

Disse positioner, overkill til opgaven med at forudsige formørkelser, er beregnet til at være gode nok til rumrejser. "Jeg er lidt overrasket," sagde Park, da rummissionsudviklere spørger, om de bliver nødt til at bruge tid på at finde ud af, hvor præcis månen vil være, og hvordan den bevæger sig. "Jeg er ligesom, nej, nej, nej, nej, vi løste problemet for mange år siden."