Die Beobachtungsgeschichte des Venustransits

Die Generalproben

Erst durch Keplers Gesetze war es möglich geworden, Venusdurchgänge vorherzuberechnen. Kepler selbst berechnete den für ihn nächsten Venusdurchgang auf den 6. Dezember 1631, aber er starb ein Jahr vorher am 15. November 1630. So wurde ihm eine Enttäuschung erspart: In Europa war es nämlich zur Zeit des Transits noch dunkel! Dies zeigte, dass die Berechnungen noch zu ungenau waren, um einen Venustransit auf die Minute genau vorherzusagen. Kepler erwartete den nächsten Durchgang erst wieder in ungefähr hundert Jahren.

Beinahe unbemerkt

Mit der Verbesserung der Berechnungen beschäftigte sich der Engländer Jeremiah Horrocks. Wenig ist über diesen genialen jungen Mann überliefert. Mit dreizehn besuchte er die Universität in Cambridge, wo sich der Sohn armer Eltern sein Studium als College Diener verdienen muss. Er studiert die Schriften des noch weitgehend unbekannten Kepler und 1639, im Alter von zwanzig Jahren, entdeckt er, dass Venusdurchgänge in Paaren auftreten. Verblüfft stellt er fest: Es sind nur noch wenige Wochen bis zum nächsten Venustransit am 4. Dezember 1639! Es bleibt keine Zeit mehr, das wissenschaftliche Establishment Europas zu informieren. In aller Eile bereitet er sein kleines Teleskop vor: Die Sonne will er auf ein Blatt Papier projizieren und dann den Durchmesser der kleinen schwarzen Venusscheibe vermessen. Außerdem benachrichtigt er William Crabtree, einen befreundeten Amateurastronomen und bittet ihn, die gleiche Beobachtung durchzuführen.

Crabtree lebt nur dreißig Meilen von Horrocks entfernt, doch werden sich die beiden nie persönlich begegnen. Der große Tag kommt, und die beiden Engländer sind die einzigen Menschen auf der Erde, die das Himmelsschauspiel beobachten. Das englische Herbstwetter meint es mit beiden gut: In Wolkenlücken beobachten sie an diesem Sonntagnachmittag, wie der kleine schwarze Kreis der Venusscheibe langsam vor der Sonne vorbeizieht. Beide erleben es als einen Triumph des menschlichen Geistes: Durch reine Mathematik hatte man ein seltenes Himmelsereignis vorhersagen können. Crabtree ist so aufgeregt, dass er das Sonnenbild mit der schwarzen Venus andächtig betrachtet, anstatt gleich mit der Zeichnung zu beginnen. Als er schließlich aus dem Staunen erwacht, ist die Sonne schon wieder hinter Wolken verschwunden. Aus dem Gedächtnis zeichnet er die Venus aufs Papier.

Horrocks ist der Professionellere von beiden. Sorgfältig dokumentiert er in Wort und Bild, was er sieht. Am Ende des Tages ahnt er, dass das Planetensystem viel größer sein muss, als Kepler es sich hat träumen lassen, denn der Winkeldurchmesser der Venus war mit 0,02° kleiner ausgefallen als erwartet. Unter der Annahme, dass die Venus die gleiche Größe wie die Erde hat, berechnet er einen Wert von 100 Millionen Kilometer für die Entfernung Erde-Sonne. Der Wert liegt zwar um 50 Millionen Kilometer vom wahren Wert entfernt, aber immerhin stimmte die Größenordnung.

Horrocks und Crabtree hätten nun zu den berühmtesten Astronomen ihrer Zeit gehören können. Horrocks war sogar dem Gravitationsgesetz auf der Spur, das Newton erst sechzig Jahre später veröffentlichen sollte. Doch Horrocks stirbt 1641 plötzlich im Alter von nur 22 Jahren. Erst 21 Jahre nach seinem Tod werden die Beobachtungen von Horrocks und Crabtree veröffentlicht.

1761 und 1769: Zweiter Auftritt der Venus

Geduld, Gefahr und Abenteuer

Das achtzehnte Jahrhundert war geprägt durch die Rivalität der beiden „Supermächte“ Frankreich und England. Neben der blutigen militärischen Auseinandersetzung gab es aber auch einen wissenschaftlichen Wettstreit, der mit den Mitteln des Geistes im Sinne der Aufklärung geführt wurde. In beiden Ländern waren die führenden Wissenschaftler in königlichen Akademien organisiert, und trotz des Krieges pflegte man intensiven Austausch. In beiden Akademien - wie auch in denen der anderen europäischen Staaten - war man sich der Bedeutung des 6. Juni 1761 bewusst: Die seltene Chance, das Planetensystem zu vermessen. Halley hatte 1716 die Methode vorgegeben:

An zwei weit entfernten Orten sollte auf die Sekunde genau gemessen werden, wie lange es dauert, bis die Venus über die Sonnenscheibe gelaufen ist. Dabei sollten die so genannten Kontaktzeiten auf wenige Sekunden genau gemessen werden, damit der Abstand Erde-Sonne auf besser als ein Prozent genau bestimmt werden kann.

Ein internationales Ereignis

Mehr als 80 verschiedene Observatorien und Einzelpersonen begannen, sich auf das Ereignis vorzubereiten: Teleskope wurden gebaut, Uhren verbessert und geographische Positionen mit größtmöglicher Präzision bestimmt. Es war das erste internationale Messprogramm der Geschichte. Für die Sternwarten waren die Vorbereitungen kein Problem. Sie hatten die Instrumente und das Personal vor Ort. Aber die wichtigsten Beobachtungen sind die, die weit entfernt von Europa gemacht werden, denn sie bestimmen die Basislänge des „Daumensprung-Dreiecks“ und damit die Genauigkeit.

Expeditionen in die Kolonien

Beide Großmächte machten sich daran, Expeditionen in ihre Kolonien vorzubereiten. Ziel war einerseits der Südatlantik und andererseits Südasien.

Von England aus starteten zwei Expeditionen: Nevil Maskelyne segelte nach St. Helena. Doch der 6. Juni 1761 ist bewölkt und die Expedition ein Misserfolg. Besser erging es Charles Mason und Jeremiah Dixon, einem Astronomen und einem Landvermesser. Ursprünglich war Mason nur als Assistent für St. Helena vorgesehen, aber in letzter Minute entschließt sich die Royal Society doch noch eine zweite Expedition durchzuführen. Ziel ist Bengkulu auf Sumatra. Mason soll sie leiten, Dixon ist sein Assistent. Kaum hat ihr Schiff, die Seahorse, Portsmouth verlassen, läuft es einem französischem Kriegsschiff direkt vor die Kanonen. Elf Männer sterben, 38 werden verwundet. Die Seahorse muss umkehren. Mason und Dixon haben die Lust an dem Vorhaben verloren und bitten die Royal Society darum, die gefährliche Reise abzusagen. Doch die Royal Society denkt nicht daran! Sie droht mit einer Schadensersatzklage, wenn sie die Expedition, deren Vorbereitung bereits viel Geld gekostet hat, nicht durchführen. Widerwillig machen sich die beiden auf die weite Reise. In Kapstadt - damals noch holländisch - erfahren sie, dass Bengkulu von den Franzosen besetzt ist. Außerdem ist es schon Ende April und der Kapitän hat Zweifel, ob sie Sumatra noch rechtzeitig erreichen können. Die Nachricht ist ihnen nicht unwillkommen. Eigentlich könnte man doch auch von Kapstadt aus beobachten und sich so weitere Gefahren ersparen. So bleiben Mason und Dixon in Kapstadt und beobachten den Venustransit dort. Sie haben Glück: Trotz Dunst und einiger Wolken gelingen ihnen die entscheidenden Messungen mit großer Präzision.

Mason und Dixon bleiben auch nach dem Venustransit ein Team: Von 1763 bis 1767 vermessen sie in Amerika die Grenze zwischen Pennsylvania und Maryland. Die Mason-Dixon-Line wird im amerikanischen Bürgerkrieg zum Symbol der Grenze zwischen den Nord- und den Südstaaten („Dixieland“).

Die astronomische Einheit

Der Fluch des Schwarzen Tropfens

Doch nicht nur die politischen und geographischen Verhältnisse erwiesen sich für die Astronomen der damaligen Zeit als schwierig. Auch bei der Beobachtung des Venustransits zeigte sich, dass zwischen Theorie und Praxis manchmal ein gewaltiger Unterschied besteht.

Edmond Halley hatte 1716 in seiner Eingabe an die Royal Society das Verfahren zur Bestimmung der Astronomischen Einheit sehr genau beschrieben. Mit vereinten Anstrengungen sollten die Astronomen der ganzen Welt den Wert für den Abstand zwischen Sonne und Erde auf mindestens ein Prozent genau bestimmen. Dazu gehört, dass alle Größen, die bei der Berechnung benötigt werden, auf deutlich besser als ein Prozent bekannt sein müssen. Das gilt z.B. für den Abstand der Beobachter auf der Erde. Ein Beobachter in Sibirien sollte seinen Abstand vom Beobachter in Paris auf wenige Kilometer kennen. Jeder Beobachter versuchte die geographischen Koordinaten seines Beobachtungsortes so genau wie möglich zu bestimmen. Für die Bestimmung der geographische Breite war das schon 1761 und 1769 kein großes Problem mehr, da sie auf einer Winkelmessung (z.B. der Höhe des Polarsterns über dem Horizont) beruht. Dank der Entwicklung der Feinmechanik konnten solche Winkel auf wenige Bogensekunden, entsprechend wenige hundert Meter genau gemessen werden.

Viel schwieriger ist die Bestimmung der geographischen Länge. Sie beruht auf einer Zeitmessung: Zwei Astronomen beobachten z. B. den Höchststand der Sonne (wahrer Mittag). Tritt bei einem der beiden der wahre Mittag eine Stunde früher als bei dem anderen ein, so liegt sein Standort 15 Grad östlicher. Aber wie soll man den Zeitunterschied messen? Jeder braucht eine Uhr, die möglichst genau die gleiche Zeit anzeigt wie die Uhr des anderen. Ein Gangunterschied von nur einer Sekunde verursacht einen Positionsfehler von mindestens 400 Metern. Tatsächlich waren die Methoden zur Längenbestimmung 1761 und 1769 viel ungenauer und die Ergebnisse hingen auch stark von dem Geschick der Beobachter ab.

Der schwarze Tropfen

Es ergab sich aber eine weitere, unerwartete Schwierigkeit mit der Beobachtung von Venus selbst. Halley hatte gefordert, dass die Kontaktzeiten auf ca. zwei Sekunden genau gemessen werden sollten. Entsprechend wählten die Beobachter große Vergrößerungen an ihren Teleskopen, um den Moment, wenn die dunkle Venusscheibe den Sonnenrand berührt, präzise bestimmen zu können. Doch als es so weit war, gab es eine Überraschung: Anstatt sich schlagartig vom Sonnenrand zu trennen, saugte sich die schwarze Venusscheibe wie ein zäher Tropfen am Sonnenrand fest. Sie beulte sich aus und erst nach einigen Sekunden riss das schwarze Schattenband und die Trennung der beiden Bilder war erkennbar. Zwei Beobachter, die dasselbe Bild beobachteten, bestimmten die Kontaktzeiten manchmal mit Unterschieden von 15 Sekunden!

Ursache für dieses Phänomen ist die Beugung des Lichtes und die überstarke Vergrößerung des Teleskops. Ein ähnliches Phänomen kann man beobachten, wenn man Daumen und Zeigefinger vor einen hellen Hintergrund zusammenhält und sie dann allmählich auseinander bewegt. So zerstörte der überraschende „Schwarze Tropfen“ die Hoffnungen auf die gewünschte Genauigkeit. Die Ergebnisse der verschiedenen Messungen schwankten um bis zu 20 Prozent!

Nun hatte man ja zwischen 1761 und 1769 Zeit, die Beobachtungsinstrumente weiter zu verbessern. Inzwischen war auch der siebenjährige Krieg zwischen Frankreich und England beendet und 1769 zogen noch mehr Astronomen in die weite Welt hinaus, um den Venusdurchgang zu beobachten. Tatsächlich streuten die Ergebnisse diesmal zwar weniger - nur noch um ca. sechs Prozent - aber der Schwarze Tropfen hatte auch diesmal verhindert, dass Halleys Traum von der genauen Bestimmung der Astronomischen Einheit erfüllt werden konnte. Es sollten über sechzig Jahre vergehen bis 1835 nach einer erneuten Auswertung die endgültigen Ergebnisse der beiden Venustransite von 1761 und 1769 vorlagen: Die mittlere Entfernung von der Erde zur Sonne betrug demnach 153,324 Millionen Kilometer. Dieser Wert ist immer noch - wie wir heute wissen - um fast drei Prozent zu groß. Das bis dahin aufwändigste Unternehmen der Astronomiegeschichte hatte damit nur einen Teilerfolg erzielen können.

Die Fotografie führt zum Durchbruch

Erst 1874 und 1882 gab es die nächste Chance, den Kampf gegen den Schwarzen Tropfen wieder aufzunehmen. Endlich - inzwischen war die Fotografie als Methode hinzugekommen - war die Zeit für die Genauigkeit gekommen, von der man nun so lange geträumt hatte. Wieder dauerte die Auswertung Jahre und 1890 veröffentlichte der englische Astronom Newcomb einen Wert, der dann für die nächsten Generationen von Astronomen maßgeblich war: 149,5 Millionen Kilometer. Dieser Wert stimmt mit dem heutigen auf 0,07 Prozent genau überein. Halley konnte zufrieden sein.