Hogyan vált a fogyatkozás-jóslás ősi művészetéből pontos tudomány | Quanta Magazin

A napfogyatkozásokat a történelem nagy részében rossz hírként értelmezték az uralkodó számára – ez baljós jel a személyes egészségükre vagy a birodalom egészségére nézve. De ezek a félelmek hozzájárultak több ezer éves tudományossághoz. Ez a fejlődés Mezopotámiában kezdődött a történelmi adatok időszakos mintáira való vadászattal. Abban a korszakban tetőzött, amelyben évszázadokkal előre ismerjük a naprendszer testeinek egymásra épülő jövőbeli mozgásait, és az egykor kozmikus léptékű szorongást okozó jelenséget hideg óraművé változtatja.

Ha egy fordulópontot kellene választanod, az 22. április 1715-én reggel lehetett, amikor napfogyatkozás derengett London felett. Edmond Halley brit polihisztor, akire leginkább Halley üstökösének névadójaként emlékeznek, megjövendölte. Kiadott egy nagytáblát, amely tartalmazta az út térképét, amelyet a hold árnyéka rajzol Anglia fölé. Abban az évben Angliának frissen koronázott királya volt, és már kibontakozott ellene a lázadás; Halley azt remélte, hogy a napfogyatkozás jóslattal való megfejtésével semlegesíti annak hatalmát, mint előjelet.

Olyan adatgyűjtőket is szeretett volna toborozni, akiknek megfigyelései a jövőben még jobb fogyatkozási előrejelzésekhez vezethetnek. „A Kíváncsiak azt kívánják, hogy megfigyeljék, és különösen a teljes sötétség időtartamát – hirdette –, mert így az Árny helyzete és méretei szépen meg lesznek határozva; és ennek segítségével képessé válhatunk arra, hogy megjósolhassuk a hasonló megjelenéseket a jövőre nézve, nagyobb bizonyossággal, mint ahogyan azt jelenleg feltételezhetjük.”

Előjelek, amelyek megtartják a ritmust

Évtizedekkel korábban Halley, az ókori szövegek lelkes olvasója, újra felfedezett és népszerűsített egy hasznos égi ciklust a fogyatkozásokról és a hold égbolt helyzetéről való gondolkodáshoz: 6,585 nap, vagyis valamivel több, mint 18 év. Ezt a ciklust „Saros”-nak nevezte, amelyet a modern történészek egy sumér szimbólum félrefordításának tekintenek, amely eredetileg valami olyasmit jelentett, mint „univerzum” vagy „nagy szám”.

Kr.e. 600 körül Mezopotámiában az asszír és babiloni pap-matematikusok átkutatták a múltbeli fogyatkozások agyagtáblákon rögzített dátumait, abban a reményben, hogy stratégiákat dolgoznak ki a következő fogyatkozás bekövetkezésének időpontjára. A fogyatkozások aggasztották a királyokat ezekben a kultúrákban, és hamarosan, az állatöv és a személyes horoszkóp feltalálásával mindenkit foglalkoztatni fog a nap, a hold és a bolygók helyzetének nyomon követésének szükségessége.

Az első megoldások az ökölszabályok voltak. A holdfogyatkozások gyakran követték egymást például hat hónap után. A babilóniaiak arra is rájöttek, hogy bizonyos nap- és holdfogyatkozásokat gyakran elválasztott egy hasonló eseménytől az, amit Halley egy Sarosnak nevezett.

Ahhoz, hogy ezt a körforgást modern módon megértsük, képzeljük el az égitestek geometriáját a napfogyatkozás pillanatában, amikor a Hold közvetlenül a Nap és a Föld között fekszik, és mindhárom test egy szép vonalat alkot. Ahhoz, hogy ez megtörténjen, a Holdnak újholdnak kell lennie. Olyan ponton is kell lennie, ahol saját, megdöntött Föld körüli pályája átesik azon a síkon, amelyben a Föld a saját Nap körüli pályáján halad.

Most képzelje el, hogy előre tolja az órát, hogy megtalálja azt az időpontot, amikor ugyanezek a feltételek megismétlődnek. Több egymást átfedő, de nem egyenlő holdciklust kell összeegyeztetnünk. Első ciklus: Körülbelül 29.5306 napba telik, amíg egyik újholdról a másikra jutunk. Második ciklus: A Holdnak körülbelül 27.2122 napba telik, amíg a Föld keringési síkján áthaladó egyik áthaladástól ugyanahhoz a menethez a következő körben jut el. Harmadik ciklus: Mivel a Hold elliptikus pályája egyre közelebb és távolabb húzza a Földtől, a Hold látszólagos méretét és sebességét is oszcillálja a Föld feletti égbolton, ez a ciklus körülbelül 27.5546 napot vesz igénybe.

A Saros tehát csak egy szép kerek intervallum, amely alatt ezek a ciklusok egész számú alkalommal megismétlődnek: 223 áthaladás az újholdon majdnem pontosan egyenlő 242 körrel az ekliptikán belül és kifelé, ami viszont majdnem pontosan egyenlő 239 oszcillációig a hold látszólagos méretében. Ha látott nap- vagy holdfogyatkozást, csak várjon egy Sarost, és az égitestek ugyanaz a durva geometriai elrendezése megismétlődik.

A Hold pályája azonban valójában bonyolultabb, mint ezek a paraméterek. És ettől függetlenül ez a séma nem mondja meg, hol lesz látható a Földön az ebből eredő fogyatkozás.

Halley and Beyond

Mire Halley olvasott a Sarosról, és újraélesztette őket saját használatra, sok évszázados multikulturális erőfeszítés tovább finomította a fogyatkozások problémáját, ahogy Clemency Montelle matematikatörténész leírta a 2011-es könyvében. árnyékokat kergetve. A babilóniaiak végül túlléptek az olyan egyszerű empirikus szabályokon, mint a „várj egyet Sárost” bonyolultabb numerikus sémák felé, amelyek kiszámították a Hold jövőbeli koordinátáit az égen. Az ókori görögök a kozmoszról alkotott saját geometriai elképzeléseiket babiloni stílusú numerikus számításokkal ötvözték. Erre a szintézisre építve az iszlám világ csillagászai, mint például al-Khwarizmi, az „algoritmus” szó kilencedik századi névrokona, trigonometrikus függvényeket és decimális számokat vontak be (Indiából), amelyeket az új papírra firkáltak ( Kínából), hogy még fejlettebb prediktív módszereket fejlesszenek ki, amelyek immár Európában is visszhangot kaptak.

De Halley-nek volt még valami, amivel játszania kellett. Körülbelül ugyanabban az időben, amikor kihalászta a Saros-t az ókorból, ő tette közzé barátja, Isaac Newton gravitációról alkotott elképzeléseit, amelyeket aztán Newton a Hold pályájának megértésére alkalmazott. 1715-re, amikor évszázadok óta az első napfogyatkozás közeledett Londonhoz, Halley prediktív térképe az ősi és modern gondolkodásmódok kavargója volt.

A következő nagy lépést 1824-ben érte el, amikor Friedrich Bessel német csillagász a gravitáció törvényei alapján kiterjesztette a fogyatkozásokról való newtoni megközelítést. Elképzelte, hogy a Hold árnyéka a Föld középpontján áthaladó képzeletbeli síkra vetül. Ezután visszavetítheti ezt az árnyékot a földgömb felszínére, hogy pontosan lássa, hol és mikor csap le az árnyék, ez a folyamat végül megkívánta, hogy a Földet ne gömbként, hanem göcsörtös, göröngyös, forgó tárgyként tekintsék. Bessel után sok nemzetnek megvolt az a globális, birodalmi hatóereje, hogy elűzze ezeket az árnyékokat Deborah Kent, matematikatörténész a St. Andrews-i Egyetemen. Ezzel tovább finomíthatnák számításaikat a tudományos puha hatalmi fölényért vívott harcban.

A következő évszázad során a napfogyatkozási expedíciók segítettek megoldani a tudomány egyik legnagyobb titkát: vajon a Merkúr furcsa pályája egy fel nem fedezett, napfényt átölelő bolygó miatt következett be (amely feltehetően fogyatkozáskor válik láthatóvá)? Vagy, amint kiderült, volt valami probléma Newton gravitációs felfogásával? Ezek a tétek még fontosabbá tették a napfogyatkozás előrejelzését és megfigyelését, a tudósokat a Föld minden sarkába küldték szigorú utasításokkal, hogy pontosan hol kell lenniük, és milyen adatokat kell rögzíteni. Ezután száraz jelentéseket nyújtottak be, amelyeket időnként „az áhítat kitörése” tarkított – mondta Kent. „Majdnem mindegyikben van egyfajta két bekezdés rapszodikus, viktoriánus, túlzott leírás.”

A 20. században a probléma ismét átalakult. A fogyatkozások megfelelő előrejelzésének mindig meg kellett birkóznia azzal a ténnyel, hogy a Hold és minden más a Naprendszerben folyamatosan rángatja egymást. Ez nem csak a híresen megoldhatatlan „három test probléma” volt; ez egy N- test probléma. Amikor a NASA elkezdett embereket és robotokat indítani a naprendszer testei felé, új sürgőssé vált, hogy megtudjuk, hol vannak ezek a testek, és hol lesznek a jövőben – és könnyebb lett kitalálni.

Az Apollo űrhajósai által a Holdon hagyott tükrök miatt néhány méteren belül tudjuk, hol van a Hold a Földhöz képest. Ryan Park, aki a NASA Jet Propulsion Laboratory Naprendszer-dinamikai csoportját vezeti. És mivel több űrszonda sugároz vissza hatótávolságú adatokat, miközben a Naprendszer körül zümmögnek, a nap helyzetét is nagy pontossággal ismerjük. Park csapata a Hold és a Nap helyzeti adatait – a bolygókra és aszteroidák százaira vonatkozó hasonló paraméterekkel, valamint a napszél nyomásának korrekcióival, és nem csak a Newton gravitációs törvényeivel, hanem az általános relativitáselmélet finomabb módosításaival együtt – egy számítógépes modell. Ezután a modell kiad egy listát az előre jelzett helyzetekről, beleértve a Holdat is. Ezután a JPL csapata rendszeresen frissíti a modelljét, és új listákat tesz közzé.

Ezek a pozíciók, amelyek túlzásba esnek a fogyatkozások előrejelzésében, elég jók az űrutazáshoz. "Kicsit meglepődtem" - mondta Park, amikor az űrmisszió fejlesztői megkérdezik, hogy kell-e időt tölteniük azzal, hogy kitalálják, hol lesz pontosan a Hold, és hogyan mozog. "Úgy gondolom, nem, nem, nem, nem, évekkel ezelőtt megoldottuk a problémát."