Wie aus der alten Kunst der Finsternisvorhersage eine exakte Wissenschaft wurde | Quanta-Magazin

Im Laufe der Geschichte wurden Sonnenfinsternisse als schlechte Nachrichten für den Herrscher interpretiert – ein unheilvolles Zeichen für seine persönliche Gesundheit oder die des Reiches. Aber diese Befürchtungen trugen dazu bei, die jahrtausendealte Wissenschaft anzutreiben. Dieser Fortschritt begann in Mesopotamien mit der Suche nach periodischen Mustern in historischen Daten. Es hat in einer Ära seinen Höhepunkt erreicht, in der wir die voneinander abhängigen zukünftigen Bewegungen der Körper des Sonnensystems Jahrhunderte im Voraus kennen und das, was einst ein Grund für kosmische Ängste war, in eine Angelegenheit eines kalten Uhrwerks verwandelt hat.

Wenn Sie einen Wendepunkt auswählen müssten, wäre es möglicherweise der Morgen des 22. April 1715 gewesen, als sich über London eine Sonnenfinsternis abzeichnete. Der britische Universalgelehrte Edmond Halley, der vor allem als Namensgeber des Halleyschen Kometen bekannt ist, hatte es vorhergesagt. Er hatte ein Flugblatt veröffentlicht, das eine Karte des Weges enthielt, den der Mondschatten über England zeichnen würde. In diesem Jahr hatte England einen frisch gekrönten König, gegen den sich bereits eine Rebellion zusammenbraute. Durch die Entmystifizierung der Sonnenfinsternis mit einer Vorhersage hoffte Halley, ihre Macht als Omen zu neutralisieren.

Er wollte auch Datensammler rekrutieren, deren Beobachtungen in Zukunft zu noch besseren Finsternisvorhersagen führen könnten. „Die Neugierigen werden gebeten, es zu beobachten, und insbesondere die Dauer der völligen Dunkelheit“, kündigte er an, „… denn dadurch werden die Situation und die Dimensionen des Schattens gut bestimmt; und auf diese Weise könnten wir in die Lage versetzt werden, ähnliche Erscheinungen für die Zukunft mit größerer Sicherheit vorherzusagen, als dies derzeit möglich ist.“

Omen, die den Takt halten

Jahrzehnte zuvor hatte Halley, ein begeisterter Leser antiker Texte, einen hilfreichen Himmelszyklus wiederentdeckt und populär gemacht, um über Finsternisse und die Position des Mondes am Himmel nachzudenken: 6,585 Tage oder etwas mehr als 18 Jahre. Er nannte diesen Zyklus „Saros“, was moderne Historiker als Fehlübersetzung eines sumerischen Symbols betrachten, das ursprünglich so etwas wie „Universum“ oder „große Zahl“ bedeutete.

Um 600 v. Chr. hatten assyrische und babylonische Priester-Mathematiker in Mesopotamien die auf Tontafeln aufgezeichneten Daten vergangener Sonnenfinsternisse durchforstet, in der Hoffnung, Strategien zu entwickeln, um daraus abzuleiten, wann die nächste Sonnenfinsternis stattfinden könnte. Sonnenfinsternisse beunruhigten die Könige dieser Kulturen, und bald, mit der Erfindung des Tierkreises und der persönlichen Horoskope, würde die Notwendigkeit, die Positionen von Sonne, Mond und Planeten im Auge zu behalten, alle beunruhigen.

Die ersten Lösungen waren Faustregeln. Mondfinsternisse folgten beispielsweise oft nach sechs Monaten aufeinander. Die Babylonier erkannten auch, dass bestimmte Sonnen- und Mondfinsternisse oft durch das, was Halley Saros nannte, von einem ähnlichen Ereignis getrennt waren.

Um diesen Zyklus in modernen Begriffen zu verstehen, stellen Sie sich die Geometrie der Himmelskörper im Moment einer Sonnenfinsternis vor, wenn der Mond direkt zwischen Sonne und Erde liegt und alle drei Körper eine saubere Linie bilden. Damit dies geschieht, muss der Mond ein Neumond sein. Es muss sich auch an einem Punkt befinden, an dem seine eigene geneigte Umlaufbahn um die Erde durch die Ebene stürzt, in der die Erde ihre eigene Umlaufbahn um die Sonne durchläuft.

Stellen Sie sich nun vor, Sie stellen die Uhr vor, um einen Zeitpunkt zu finden, an dem dieselben Bedingungen erneut auftreten. Wir müssen mehrere überlappende, aber ungleiche Mondzyklen in Einklang bringen. Zyklus eins: Von einem Neumond zum nächsten dauert es etwa 29.5306 Tage. Zyklus zwei: Der Mond braucht etwa 27.2122 Tage, um von einem Durchgang durch die Ebene der Erdumlaufbahn bis zum gleichen Durchgang beim nächsten Durchgang zu gelangen. Zyklus drei: Da der Mond durch seine elliptische Umlaufbahn näher und weiter von der Erde entfernt wird, schwankt auch der Mond in seiner scheinbaren Größe und Geschwindigkeit am Himmel über der Erde, ein Zyklus, der etwa 27.5546 Tage dauert.

Der Saros ist also nur ein schönes rundes Intervall, in dem sich alle diese Zyklen eine ganze Reihe von Malen wiederholen: 223 Durchgänge durch den Neumond entsprechen fast genau 242 Runden in und aus der Ekliptik, was wiederum fast genau gleich ist bis zu 239 Schwingungen in der scheinbaren Größe des Mondes. Wenn Sie eine Sonnen- oder Mondfinsternis gesehen haben, warten Sie nur auf einen Saros, und die gleiche grobe geometrische Anordnung der Himmelskörper wird sich wiederholen.

Die Umlaufbahn des Mondes ist jedoch tatsächlich komplizierter als nur diese Parameter. Und unabhängig davon sagt Ihnen dieses Schema nicht, wo auf der Erde die resultierende Sonnenfinsternis sichtbar sein wird.

Halley und darüber hinaus

Als Halley von den Saros las und sie für seinen eigenen Gebrauch wiederbelebte, hatten viele weitere Jahrhunderte multikultureller Bemühungen das Problem der Finsternisse weiter verfeinert, wie der Mathematikhistoriker Clemency Montelle in dem Buch von 2011 beschrieb Jagd nach einem Phantom. Die Babylonier gingen schließlich von einfachen empirischen Regeln wie „Warte auf Saros“ zu komplizierteren numerischen Schemata über, mit denen die zukünftigen Koordinaten des Mondes am Himmel berechnet wurden. Die alten Griechen verknüpften ihre eigenen geometrischen Vorstellungen vom Kosmos mit numerischen Berechnungen im babylonischen Stil. Aufbauend auf dieser Synthese bezogen Astronomen der islamischen Welt wie al-Khwarizmi, der Namensgeber des Wortes „Algorithmus“ aus dem 9. Jahrhundert, trigonometrische Funktionen und Dezimalzahlen (aus Indien), die sie auf das neue Medium Papier kritzelten ( aus China), um noch fortschrittlichere Vorhersagemethoden zu entwickeln, die nun auch in Europa Anklang fanden.

Aber Halley hatte etwas noch Neueres zum Spielen. Etwa zur gleichen Zeit, als er die Saros aus der Antike fischte, finanzierte er auch die Veröffentlichung der Ideen seines Freundes Isaac Newton über die Gravitation, die Newton dann auf das Verständnis der Mondbahn anwandte. Im Jahr 1715, als sich die erste Sonnenfinsternis seit vielen Jahrhunderten London näherte, war Halleys Vorhersagekarte eine Mischung aus alten und modernen Denkweisen.

Der nächste große Schritt erfolgte 1824, als der deutsche Astronom Friedrich Bessel den Newtonschen Ansatz, Finsternisse mithilfe der Gesetze der Schwerkraft zu betrachten, erweiterte. Er stellte sich den Schatten des Mondes vor, der auf eine imaginäre Ebene geworfen wurde, die durch den Mittelpunkt der Erde verlief. Sie könnten diesen Schatten dann wieder auf die Erdoberfläche projizieren, um genau zu sehen, wo und wann der Schatten auftreffen würde. Dieser Vorgang erforderte schließlich, dass man sich die Erde nicht als Kugel, sondern als klumpiges, holpriges, rotierendes Objekt vorstellte. Nach Bessel verfügten viele Nationen über die globale, imperiale Reichweite, um diese Schatten zu vertreiben, sagte er Deborah Kent, ein Mathematikhistoriker an der University of St. Andrews. Auf diese Weise könnten sie ihre Berechnungen im Kampf um die Vorherrschaft der wissenschaftlichen Soft-Power weiter verfeinern.

Im Laufe des nächsten Jahrhunderts halfen Sonnenfinsternis-Expeditionen dabei, eines der größten Rätsel der Wissenschaft zu lösen: War die seltsame Umlaufbahn von Merkur auf einen unentdeckten Planeten zurückzuführen, der die Sonne umarmt (der vermutlich während einer Sonnenfinsternis sichtbar werden würde)? Oder gab es, wie sich herausstellte, ein Problem mit Newtons Verständnis der Schwerkraft? Diese Herausforderungen machten die Vorhersage und Beobachtung von Sonnenfinsternissen noch wichtiger, da Wissenschaftler in alle Ecken der Erde geschickt wurden, mit genauen Anweisungen, wo genau sie sich aufhalten und welche Daten sie aufzeichnen sollten. Anschließend reichten sie trockene Berichte ein, unterbrochen von gelegentlichen „Ausbrüchen der Ehrfurcht“, sagte Kent. „In fast jedem einzelnen von ihnen gibt es sozusagen zwei Absätze mit schwärmerischer, viktorianischer, übertriebener Beschreibung.“

Im 20. Jahrhundert veränderte sich das Problem erneut. Eine korrekte Vorhersage von Sonnenfinsternissen musste sich immer mit der Tatsache auseinandersetzen, dass der Mond und alles andere im Sonnensystem ständig aneinander zerren. Dabei handelte es sich nicht nur um das bekanntermaßen unlösbare „Drei-Körper-Problem“; es ist ein N-Körperproblem. Als die NASA damit begann, Menschen und Roboter zu Körpern im Sonnensystem zu schicken, wurde die Notwendigkeit zu wissen, wo sich diese Körper befanden und wo sie sich in Zukunft befinden würden, immer dringlicher – und es wurde einfacher, dies herauszufinden.

Aufgrund der von den Apollo-Astronauten auf dem Mond hinterlassenen Spiegel wissen wir demnach bis auf wenige Meter genau, wo sich der Mond im Verhältnis zur Erde befindet Ryan Park, der die Solar System Dynamics-Gruppe am Jet Propulsion Laboratory der NASA leitet. Und da mehrere Raumschiffe bei ihrem Flug um das Sonnensystem Entfernungsdaten zurückstrahlen, kennen wir auch die Position der Sonne mit hoher Genauigkeit. Parks Team speist die Mond- und Sonnenpositionsdaten – zusammen mit ähnlichen Parametern für die Planeten und Hunderte von Asteroiden und Korrekturen für Dinge wie den Druck des Sonnenwinds und nicht nur die Gesetze der Newtonschen Schwerkraft, sondern auch die subtileren Änderungen der allgemeinen Relativitätstheorie – in ein Computermodell. Dann erstellt das Modell eine Liste der vorhergesagten Positionen von allem, einschließlich des Mondes. Und dann aktualisiert das JPL-Team regelmäßig sein Modell und veröffentlicht neue Listen.

Diese Positionen, die für die Vorhersage von Sonnenfinsternissen übertrieben sind, sollen für die Raumfahrt gut genug sein. „Ich bin ein wenig überrascht“, sagte Park, als die Entwickler von Weltraummissionen fragten, ob sie Zeit damit verbringen müssen, herauszufinden, wo genau der Mond sein wird und wie er sich bewegt. „Ich denke, nein, nein, nein, nein, wir haben das Problem schon vor Jahren gelöst.“