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CIENCIA. Cómo el Tránsito de Venus resolvió uno de los mayores misterios de la ciencia

 

NASA / Flickr

El universo es casi inimaginablemente grande, pero hemos recorrido un largo camino para reducirlo a un tamaño que podamos entender, debido en gran parte a una rara conjunción de la Tierra, el Sol y el planeta Venus.

Conocido como el Tránsito de Venus, este evento solo ha ocurrido siete veces en los 400 años desde la invención del telescopio, y el tránsito más reciente ocurrió en junio de 2012. Los niños nacidos hoy tendrán más de 90 años cuando llegue el próximo tránsito. en diciembre de 2117.

La rareza de este evento hizo que el Tránsito de Venus de 1769 fuera tan importante que una comunidad internacional de científicos se unieron y organizaron expediciones para observarlo desde todo el mundo. Su objetivo: responder finalmente al misterio milenario sobre el tamaño de nuestro universo.

Evalúa el cielo

Cuando miras hacia el cielo nocturno, tienes el beneficio de siglos de conocimiento astronómico que te dicen que las estrellas que ves están a cientos o miles de años luz de distancia; algunas incluso podrían ser cuásares en el corazón de galaxias a millones de años luz. 

Puedes mirar la Luna, ver los planetas interiores abrazando el horizonte en el crepúsculo o mirar hacia afuera para ver el Marte teñido de rojo junto con Júpiter y Saturno y saber qué tan lejos están todos estos cuerpos celestes de donde estás parado.

Sin embargo, este no siempre fue el caso. Los astrónomos de la antigua Grecia fueron los primeros en registrar sus intentos de medir el tamaño de nuestro vecindario estelar, y lograron tener éxito en algunos aspectos importantes.

En el siglo II a. C., el astrónomo Hiparco utilizó el fenómeno del paralaje (donde dos objetos, uno detrás del otro, se miden desde dos ubicaciones o ángulos diferentes para determinar la distancia del observador entre los dos objetos más cercanos) para calcular la distancia a la Luna con un notable grado de precisión.

Cualquiera que haya mirado por la ventana del pasajero de un automóvil o tren conoce muy bien este fenómeno: los arbustos, árboles o postes de cercas pasan rápidamente, pero aparece una granja en medio de un campo, lejos de la carretera. para pasar lentamente a la deriva.

Incluso puede usar sus dos dedos índices en una línea, una mano cerca de su cara y la otra extendida hasta donde llegue, y cerrar un ojo, luego el otro. Es probable que el dedo más cercano rebote desde el lado izquierdo del dedo más alejado hacia el lado derecho y viceversa. Esto es paralaje, y fue una de las herramientas más poderosas de la astronomía temprana.

Fuente: Wikimedia Commons

Hiparco observó la Luna durante un eclipse solar total desde un lugar y usó las observaciones en otra ciudad donde el sol solo se eclipsó parcialmente para determinar el paralaje lunar. Dado que él conocía la distancia entre las dos ciudades, era solo una cuestión de geometría determinar la distancia a la luna, y estaba notablemente cerca, calculando dentro del siete por ciento de la distancia promedio real de la luna a la Tierra.

Otro astrónomo griego, Aristarco, hizo un valiente intento de calcular la distancia al Sol, ahora que los astrónomos griegos conocían la distancia a la Luna.

Entendiendo correctamente que una media luna significa que la Tierra y la Luna están formando un ángulo recto, Aristarco usó la geometría nuevamente para tratar de calcular el ángulo entre el Sol y la Luna en relación con la Tierra (con la Luna en el primer cuarto de fase), calculando un ángulo de 87 grados. Esto estuvo cerca, en realidad es de 89.83 grados, pero estaba lo suficientemente desviado que cuando se combinó con el error del siete por ciento de Hiparco y otras discrepancias más pequeñas, se obtuvo una distancia que estaba desviada en más de un factor 1.000.

Más tarde, los astrónomos vendrían después y refinarían este número, pero todavía estaban muy lejos de la marca. Al final, lo único que daría la verdadera distancia al Sol sería encontrar su paralaje, y ese fue un problema que siglos de astrónomos no pudieron resolver.


El problema de la escala

Incluso los astrónomos más antiguos sabían muchísimo sobre el sistema solar observable. Los planetas interiores, Mercurio y Venus, junto con Marte, Júpiter y Saturno fueron conocidos y observados por astrónomos chinos, babilonios y griegos antiguos durante casi el tiempo que se han conservado los registros.

Cuando Johannes Kepler  descubrió su tercera ley del movimiento planetario, descubrió las distancias relativas de todos los cuerpos observables en nuestro sistema solar, ya que la relación entre el cubo de la distancia media de un objeto al sol y el cuadrado de su período orbital es el mismo para todos los planetas.

Entonces, sabíamos que Marte orbitaba un porcentaje conocido de la distancia entre la Tierra y Júpiter. Del mismo modo, que Venus y Mercurio eran algunos porcentajes conocidos de la distancia entre la Tierra y el Sol, pero esto en realidad no nos decía qué tan lejos estaba algo del Sol.

Tampoco podría decirnos nada sobre el tamaño de nada en el sistema solar. El disco del Sol está casi perfectamente cubierto por la Luna durante un eclipse solar, pero ¿qué nos puede decir eso sobre el tamaño del Sol?. Si el Sol estuviera más cerca de nosotros pero más pequeño, y si estuviera incluso más lejos de lo que está pero muchas veces su tamaño real, no podríamos notar la diferencia ya que parecerían del mismo tamaño aparente. 

Sin una sola cifra absoluta con la que trabajar, la verdadera escala del sistema solar, el tamaño del Sol y los planetas y sus distancias entre sí estaban frustrantemente fuera de alcance.


El llamado de Edmond Halley para observar el tránsito de Venus

Edmund Halley | Fuente:  Richard Phillips / Wikimedia Commons

En 1629, Kepler predijo que dos tránsitos (cuando uno de los planetas interiores pasa directamente entre la Tierra y el Sol y por lo tanto aparece en silueta contra el disco solar) ocurrirían en 1631: el Tránsito de Mercurio en noviembre y el Tránsito de Venus en Diciembre.

Kepler murió en 1630, por lo que no pudo ver validadas sus predicciones, pero sus contemporáneos estaban muy interesados ​​en predecir tránsitos posteriores. Sin embargo, no fue hasta el matemático escocés James Gregory en 1663 que alguien parece haber hecho la conexión entre el uso de tránsitos planetarios para encontrar el paralaje solar y calcular la distancia absoluta entre la Tierra y el Sol.

En 1677, Edmund Halley  estaba en un observatorio en Santa Elena, en el Atlántico sur, compilando un mapa estelar de los cielos del sur. Pudo observar el Tránsito de Mercurio y se dio cuenta de que podía usarse para calcular el paralaje solar.

Al registrar el tiempo en eventos específicos: el momento en que la silueta de un planeta toca por primera vez el disco solar, el momento en que la silueta de un planeta ingresa completamente en el disco solar, el momento en que la silueta del planeta toca el borde del disco solar en su borde opuesto y el momento que la silueta del planeta toca por última vez el disco solar al final del tránsito; la diferencia en los tiempos registrados de cada uno de los cuatro eventos en diferentes ubicaciones podría usarse para resolver finalmente este misterio astronómico.

Teniendo en cuenta la dificultad de ver la entrada y salida de Mercurio del disco solar, Halley determinó que el Tránsito de Venus ofrecía la mejor oportunidad de registrar datos suficientes y precisos para realizar los cálculos.

Desafortunadamente para Halley, el próximo Tránsito de Venus se predijo para 1761, a más de 80 años de distancia. Halley era un hombre joven en ese momento, pero no tan joven como para tener alguna esperanza real de hacer alguna observación él mismo.

En cambio, hizo varias peticiones públicas para la cooperación científica internacional para observar el próximo tránsito, así como el que sucedió poco después en 1769, para determinar finalmente el paralaje solar. Si no lo hicieran en 1769, los científicos no tendrían otra oportunidad hasta 1874, casi dos siglos en el futuro.

Halley murió en 1742, pero los científicos de todo el mundo pronto darían un paso adelante y tomarían el control donde él lo dejó.


Lanzamiento de expediciones internacionales

Registro del Capitán James Cook del Tránsito de Venus en 1769 | Fuente:  NASA.

En la década de 1760 estaban sucediendo muchas cosas en Europa. Inglaterra y Francia estaban ocupadas luchando en la Guerra de los Siete Años, la primera guerra verdaderamente global en la historia de la humanidad, por lo que las perspectivas de cooperación científica internacional deberían haberse considerado escasas en el mejor de los casos.

Afortunadamente, este no fue el caso, y los científicos de todo el mundo, independientemente de su nacionalidad, se encargaron de responder a la llamada de Halley.

"Desafortunadamente", escribe Donald Teets en un artículo de 2003 en Mathematics Magazine  [ PDF ] sobre el tránsito de 1761,

"Es imposible describir en este breve artículo todas las aventuras de quienes se dispusieron a observar el tránsito de 1761: de Charles Mason y Jeremiah Dixon que partieron hacia las Indias Orientales, pero que ni siquiera habían abandonado el canal de la Mancha cuando su barco fue atacado por un buque de guerra francés, dejando 11 muertos y 37 heridos; del francés Chappe, que viajó 1500 millas a través de Rusia hasta Tobolsk en trineo tirado por caballos, una vez tuvo que reunir a punta de pistola a sus guías desertores; del francés Le Gentil a quien la guerra le impidió llegar a su destino en la India, por lo que se vio obligado a observar el tránsito desde la cubierta rodante de un barco en el Océano Índico ".


Cuando tuvo lugar el Tránsito de Venus de 1761, al menos 122 científicos y observadores en 62 lugares diferentes alrededor del mundo registraron las horas de entrada y salida de Venus, la colaboración científica internacional más grande jamás intentada en ese momento.

Desafortunadamente para todos los involucrados, no todos los datos fueron suficientes y dieron resultados tremendamente diferentes cuando se intentó el cálculo. Lejos de ser disuadidos, la comunidad científica internacional se esforzó aún más en registrar con precisión el Tránsito de Venus de 1769 de lo que se intentó en 1761, sabiendo que esta sería su última oportunidad en más de 100 años.

El segundo intento y sus numerosas expediciones, incluido el famoso viaje del Capitán James Cook a la isla de Tahití en el Pacífico Sur para observar el tránsito, antes de continuar para reclamar Australia para el Imperio Británico y morir mientras intentaba hacer lo mismo con Hawai, resultó ser mucho más exitoso.

" Aunque Inglaterra ocupó el tercer lugar en el número de observaciones del tránsito anterior", se lee en la historia del Observatorio Europeo Austral del Tránsito de 1769, "llegó primero con 69 observaciones distintas en el tránsito de 1769. Francia siguió con solo 34 observaciones, lo que marcó un declive del dominio científico de Francia en Europa. En total, el tránsito de 1769 involucró a 151 equipos de observación profesionales distribuidos en 77 sitios ".


Desvelando el misterio de la escala cósmica

Alpha y Proxima Centauri, cuya distancia se confirmó mediante paralaje estelar | Fuente: Skatebiker / Wikimedia Commons

Thomas Hornsby, un astrónomo británico y matemático de Oxford, llegó al más preciso de los cálculos del Tránsito de Venus de 1769.

"El paralaje del 3 de junio es 8,65", el paralaje medio será = 8,78 ";" Hornsby escribió en 1771, "y si se supone que el semidiámetro de la Tierra = 3985 millas inglesas, la distancia media de la Tierra al Sol será 93,726,900 millas inglesas".

Nuestra medida más precisa de la unidad astronómica (AU), la distancia media entre la Tierra y el Sol, es 92,955,000; Teets observa con admiración que la cifra de Hornsby fue un cálculo excesivo de solo 0,8%.

Dado que todas las demás distancias conocidas en el sistema solar se conocían en términos relativos, una vez que se definió finalmente la UA, todas las demás medidas en el sistema solar podrían calcularse rápidamente, al igual que el tamaño real del Sol, utilizando su diámetro angular y el nuevo AU.

Habría más por descubrir en nuestro sistema solar, incluidos nuevos planetas, pero el modelo de nuestro sistema solar, iniciado por los astrónomos en la antigüedad, encajó en gran medida después de 1769.

El método de paralaje que resultó tan esencial para determinar la UA también se convertiría en una herramienta esencial para sondear las distancias de las estrellas en el cielo, identificando las distancias a estrellas como Alpha Centauri y Sirius, así como galaxias distantes y otros objetos celestes en el cielo nocturno.

En total, el esfuerzo por observar y registrar los Tránsitos de Venus en 1761 y 1769 es una hazaña increíble de cooperación humana que muestra cuánto se puede hacer con un poco de matemáticas cuando todos nos reunimos con un propósito común.



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