De synchronisatie van de omlooptijd en de rotatie van Mercurius werd lange tijd beschouwd als een van de zekerste feiten in de planetenastronomie. De planeet zou, net als de maan, in een synchroon roterende staat verkeren, met één kant altijd naar de zon gericht, terwijl de andere kant voor altijd in duisternis zou verkeren. Maar dit beeld, dat door vele jaren van waarnemingen werd ondersteund, bleek een illusie te zijn.

De eerste aanwijzing dat er iets mis was, kwam begin jaren zestig, toen radio-observaties toonden dat de donkere kant van Mercurius meer warmte uitstraalde dan te verwachten viel, gezien de veronderstelde bevroren toestand die gepaard zou gaan met een vergrendelde rotatie. Dit was al vreemd genoeg, maar in april 1965 gebeurde iets opmerkelijkers. Astronomen gebruikten de grote radiotelescoop in Arecibo, Puerto Rico, om radiopulsen af te vuren op de planeet en de echo’s te meten. Door de Doppler-verschuiving van de reflecties nauwkeurig te analyseren, ontdekten ze dat de rotatietijd van Mercurius niet 88 dagen was, zoals men had aangenomen, maar 58,65 dagen – precies twee derde van de omlooptijd. Mercurius draaide dus drie keer om zijn as voor elke twee omwentelingen rond de zon, wat betekende dat de planeet zich bevond in een 3:2 rotatie-omloopverhouding met de zon.

Dit was een van de meest verrassende ontdekkingen in de geschiedenis van de planetenastronomie. Meteen werd de vraag gesteld hoe de beroemde visuele waarnemers zoals Schiaparelli en Antoniadi zich zo hadden kunnen vergissen. Er waren verschillende redenen voor deze vergissing. Verwachting speelde een grote rol. Het geval van de synchroon roterende maan was al goed bekend, en zodra Schiaparelli Mercurius begon te observeren in de fasen zoals hij de maan had waargenomen, zou hij – al dan niet bewust – de planeet in dezelfde termen hebben gedacht. Daarbij was er de toevalligheid dat 58,65 dagen niet alleen twee derde van de omlooptijd was, maar bijna precies de helft van de zogenaamde synodische periode, de gemiddelde tijd tussen opeenvolgende fasen zoals gezien vanaf de aarde.

Er was ook een tendens, zij het niet exact, om steeds dezelfde hemisfeer van de planeet te zien wanneer deze op de meest geschikte tijden voor observatie verscheen – als avondster in de lente en als morgenster in de herfst. Zo leek het erop dat dezelfde markeringen jarenlang zichtbaar waren. De belangrijkste oorzaak van de misvatting was echter misschien wel de kwetsbaarheid van de waargenomen markeringen. Deze waren zo vaag en subjectief dat zodra een verwachting werd gesteld (bijvoorbeeld het figuur-van-5) visuele waarnemers in staat waren om deze markeringen te interpreteren op een manier die in overeenstemming was met die verwachting.

Daarnaast was er de theorie van getijdenkrachten die suggereerde dat Mercurius’ rotatie synchroon zou moeten draaien met zijn omloop rond de zon. Deze veronderstelling leek aannemelijk, vooral omdat de planeet een bijna cirkelvormige baan zou volgen. Maar Mercurius volgt juist een zeer elliptische baan, waarbij de afstand tot de zon varieert van 46 miljoen kilometer bij perihelium tot 69,8 miljoen kilometer bij aphelium. Dit heeft grote invloed op de dynamica van de planeet, waardoor de kans groter is dat Mercurius zich in een 3:2 rotatie-omloopverhouding bevindt dan in een perfecte 1:1 verhouding.

Deze 3:2 spin-omloopverhouding zorgt ervoor dat alternatieve gezichten van Mercurius telkens naar de zon gericht worden wanneer de planeet zijn perihelium bereikt. Dit veroorzaakt 'hete polen', gebieden die intensievere zonnestraling ontvangen. De temperatuur op het oppervlak van Mercurius kan tijdens de dag oplopen tot 430°C, vergelijkbaar met Venus, terwijl het 's nachts kan dalen tot -185°C, net boven het vriespunt van lucht. Eén van deze hete polen, en met name de krater Hun Kal, heeft een bijzondere betekenis: het is de locatie waar de nulgraad van lengte wordt gedefinieerd.

Mercurius’ dag zou bijzonder vreemd zijn. Bij een van de hete polen zou de zon in het oosten opkomen, zes weken de lucht in stijgen, daarna acht dagen achteruit bewegen voordat deze weer naar het westen zakt en uiteindelijk zes weken later ondergaat. Bij 90° en 270° longitudinale markeringen zou de situatie echter heel anders zijn: de retrograde lus zou plaatsvinden wanneer de zon zich net boven de horizon bevindt, zodat een waarnemer dubbele zonsopkomsten en zonsondergangen zou kunnen zien – een fascinerend verschijnsel, indien de planeet een atmosfeer zou hebben die de zonnestralen zou kunnen verstrooien en de prachtige kleuren van zonsondergangen op aarde zou produceren.

De veronderstelling van een dicht atmosfeer op Mercurius was altijd al een zwak punt in de deducering van Schiaparelli. Omdat Mercurius slechts een half keer zo groot is als de maan en een massa heeft die slechts één achttiende van die van de aarde bedraagt, zou het vrijwel onmogelijk zijn voor een planeet met zo’n lage zwaartekracht om gassen vast te houden die door de intense hitte ontsnappen. De zwakke zwaartekracht zou ervoor zorgen dat de atmosfeer snel het luchtruim zou verlaten, waardoor de planeet net zo luchtledig zou zijn als de maan.

Toch blijkt Mercurius, zoals bevestigd door de Mariner 10 verkenning in 1974, een uiterst dunne atmosfeer te bezitten. Deze bestaat voornamelijk uit waterstof, helium en atomaire zuurstof. Dit blijkt een gevolg te zijn van de voortdurende aanvoer van deze gassen via de zonnewind, een stroom van geladen deeltjes die uit de zon komen. De atmosfeer is zo dun dat het zelfs de beste vacuümomstandigheden op aarde overtreft. Het bewijs van deze gassen is van groot belang, omdat het ons inzicht biedt in de interactie tussen planeten en de zon, en de dynamiek van planeten die zich dicht bij hun ster bevinden.

Waarom komen transits van Venus en Mercurius niet altijd voor, ondanks hun voorspellingen?

De orbits van de planeten Mercury en Venus zijn licht gekanteld ten opzichte van de baan van de aarde (Mercurius met 7 graden, Venus met 3½ graden), waardoor transits niet elke keer plaatsvinden wanneer deze planeten in inferior conjunctie staan. Ondanks de grotere inclinatie van Mercurius' baan, maakt de snelle beweging van Mercurius zijn transits relatief vaker dan die van Venus; ze komen gemiddeld dertien keer per eeuw voor. De eerste transit die voorspeld was door Johannes Kepler, werd waargenomen door Pierre Gassendi in december 1631.

De transits van Venus zijn echter een van de zeldzaamste voorspelde hemelse schaduwverschijnselen. Ze komen in paren voor, gescheiden door acht jaar, maar de paren zelf zijn weer gescheiden door meer dan een eeuw. Kepler voorspelde dat een transit van Venus in december 1631 zou plaatsvinden en Gassendi, die hoopte zijn succes met de transit van Mercurius te herhalen, hield enkele dagen lang waakzaam over dit verschijnsel. Helaas was de transit niet zichtbaar voor hem, omdat deze tijdens de Europese nacht plaatsvond. De eerste waarnemer van een transit van Venus was de jonge Engelse astronoom Jeremiah Horrocks, die de berekeningen herwerkte en ontdekte dat er een transit plaatsvond in december 1639. Horrocks, die in Much Hoole, Lancashire woonde, kon echter niet de hele middag waarnemen vanwege ‘belangrijke zaken die ik niet met propriety kon verwaarlozen’, wat waarschijnlijk betekende dat hij, in die religieus gedomineerde tijd, de kerk moest bijwonen. Ondanks de bewolking die de dag bedekte, klaarde de lucht net voor zonsondergang op, waarna Horrocks, eenmaal zijn verplichtingen nagekomen, in staat was om de transit van Venus te observeren.

Historisch gezien zijn transits van Venus van groot belang geweest. In de achttiende en negentiende eeuw werden grote internationale expedities ondernomen om de ‘contactpunten’ van de transit te observeren, de vier punten waar de schijf van Venus de rand van de Zon raakt. Deze waarnemingen waren cruciaal voor het bepalen van de afstand van de aarde tot de zon. Hoewel er tegenwoordig betere manieren zijn om deze afstand te berekenen, blijven de transits van Venus van wetenschappelijk belang. Ze bieden waardevolle informatie over de verticale structuur van Venus’ atmosfeer en stellen astronomen in staat om transits van exoplaneten met hete atmosferen te modelleren. De laatste transits van Venus vonden plaats in juni 2004 en juni 2012, terwijl de volgende pas op 11 december 2117 en 8 december 2125 te verwachten zijn.

In tegenstelling tot de grote schijf van Venus, verschijnt Mercurius tijdens een transit slechts als een klein zwart stipje tegen de Zon. Dit biedt een uiterst precieze maatstaf voor de beweging van de planeet, waardoor voorspellingen van de tijden van zijn transits exact kunnen worden vergeleken met de waargenomen tijden. Het bleek echter dat de waargenomen en voorspelde tijden niet zo goed overeenkwamen als verwacht. Zo was bijvoorbeeld de voorspelde tijd van de transit van 1753 enkele uren verkeerd, en die van 1786 was zelfs 53 minuten off, met als resultaat dat alle astronomen in Parijs, op één na (Jean Baptiste Joseph Delambre), hun telescopen voortijdig hadden verlaten. Deze voorspellingen waren gebaseerd op Isaac Newtons invloedrijke en goed beproefde theorie van de zwaartekracht, maar ze stelden wiskundige astronomen zoals Urbain Jean Joseph Le Verrier in staat om een belangrijke ontdekking te doen.

Le Verrier heranalyseerde alle waarnemingen van Mercurius' transits sinds de transit van 1697 en ontdekte dat de perihelium van Mercurius’ baan langzaam roteerde in dezelfde richting als de beweging van de planeet rond de Zon. Deze beweging was groter dan verwacht en leidde tot een extra omwenteling elke drie miljoen jaar. Le Verrier concludeerde dat de enige verklaring hiervoor een onbekende massa moest zijn, een kleine planeet of mogelijk een asteroïdengordel, gelegen tussen Mercurius en de Zon. Deze hypothetische planeet zou altijd verborgen blijven in de schittering van de Zon, wat betekent dat de enige kans om deze te zien zou zijn tijdens een transit of een totale zonsverduistering. Le Verrier publiceerde zijn berekeningen in september 1859, maar voordat het onderwerp verder onderzocht kon worden, claimde de Franse arts en amateurastronoom Edmond Modeste Lescarbault drie maanden later de ontdekking van de planeet tijdens een transit.

Le Verrier, die Lescarbault’s verhaal accepteerde, bleef zijn hele leven geloven in het bestaan van de planeet Vulcan. Er werd hernieuwde interesse in het onderwerp aangewakkerd in 1878, toen twee beroemde waarnemers, Lewis Swift en James Craig Watson, de regio rondom de totaal verduisterde Zon onderzochten en meldden meerdere Vulcans te hebben ontdekt. Maar ondanks verschillende expedities bleef Vulcan onvindbaar. Het was pas na de publicatie van Albert Einstein’s algemene relativiteitstheorie in 1915, die de afwijking in Mercurius’ perihelium verklaarde, dat de noodzaak voor de hypothese van Vulcan verdween.

Naast het oplossen van dit raadsel, maakt de studie van transits van Mercurius en Venus de wetenschappers vandaag de dag in staat om dieper inzicht te krijgen in de atmosfeer van Venus en de beweging van andere planeten. De waarde van dergelijke transits als meetinstrumenten, zowel voor planeten in ons eigen zonnestelsel als voor de exoplaneten die ver buiten ons bereik liggen, blijft dan ook van onmiskenbare wetenschappelijke waarde.

Hoe het Zonnestelsel en de Zon ons Leven Vormgeven

De zon, de stralende ster aan de hemel, wordt vaak beschouwd als een symbolisch goed, een bron van leven en licht. Toch is de werkelijke zon allesbehalve teder en vriendelijk; het is een immense, onvoorspelbare kracht die, als je haar zonder bescherming zou aanschouwen, een dodelijke impact zou hebben. Als de zon dichter bij de aarde stond, zouden we verbranden tot as, maar gelukkig blijft ze op veilige afstand, meer dan 149 miljoen kilometer van ons verwijderd. Dit lijkt op het eerste gezicht geruststellend, maar de werkelijke aard van de zon, zoals de astronomen ons vertellen, is verre van constant of gunstig.

De zon is een zogenaamde 'typische' ster in de hoofdreeks van het Hertzsprung-Russell-diagram, een zogenaamde G2 gele dwerg, al lijkt ze voor onze ogen meer wit dan geel. Wat de zon werkelijk is, wordt vaak over het hoofd gezien. Het is een ster die een verbluffende hoeveelheid energie genereert door de fusie van waterstof in helium in haar kern, een proces dat voortdurend duizenden tonnen van haar massa per seconde verliest. Elke seconde wordt er een miljoen ton van de zon weggeschoten, waarvan het meeste volledig verloren gaat in de lege ruimte. Het grootste deel van de energie die de zon produceert, heeft helemaal geen invloed op ons. De enorme hoeveelheid straling die zij uitzendt, is te groot om te bevatten, en slechts een fractie bereikt de aarde.

Zonder de beschermende laag van ozon, atomaire zuurstof en stikstof in de hogere atmosfeer, en de schilden die ons magnetisch veld ons biedt, zou de zon de aarde in een onleefbare woestijn van dodelijke straling hebben veranderd. De schadelijke ultraviolette straling, gammastraling, röntgenstraling en de hoogenergetische deeltjes die van de zon komen, zouden onze planeet zonder deze beschermingen hebben verwoest. Maar deze schilden, hoog boven onze hoofden, hebben ervoor gezorgd dat leven op aarde mogelijk bleef en zich kon ontwikkelen.

De zon is een dynamisch en verwoestend object. Hoewel haar oppervlaktelagen er kalm uitzien, is het in werkelijkheid een oplaaiende arena van explosies, het toneel van magnetische stormen die resulteren in zonnestormen, zoals zonneflitsen en coronaire massa-ejecties (CME's). Zonneflitsen kunnen enorme hoeveelheden energie vrijgeven in een paar minuten, energie gelijk aan honderden waterstofbommen die gelijktijdig ontploffen. Deze intensiteit van de zonnestraling kan leiden tot enorme verstoringen op aarde, zoals geomagnetische stormen die onze technologieën, zoals satellieten en communicatiesystemen, ernstig kunnen verstoren.

De zon, ondanks haar dodelijke potentieel, is de motor achter alles wat zich op aarde heeft ontwikkeld. Het licht van de zon heeft het leven op aarde mogelijk gemaakt, maar het is de constante aanwezigheid van de zon in onze levens die zorgt voor de energie die onze planeet draaiende houdt. Dit kan ons eraan herinneren hoe belangrijk de zon is voor alles wat leeft, en hoe kwetsbaar ons bestaan is zonder de beschermende mechanismen die de aarde omhullen. Het is niet alleen de zonne-energie die we direct waarnemen, maar ook de interplanetaire relatie die de aarde met de zon heeft, die bepaalt of we kunnen overleven.

De zonneactiviteit is niet iets wat de mens op eigen kracht volledig begrijpt, maar de wetenschappers die zich richten op de zonnefysica hebben ervoor gezorgd dat we de mechanismen achter de zonnestraling en het gedrag van de zon beter begrijpen. De zon is niet statisch; het verandert voortdurend, met periodes van verhoogde activiteit die gepaard gaan met zonneflitsen en andere gevaarlijke emissies die hun weg vinden naar de aarde. Deze kennis is essentieel voor de bescherming van technologie en het menselijk leven.

Maar er is meer. De aarde zelf is extreem klein in vergelijking met de zon, en we bevinden ons niet alleen op een kleine planeet in het zonnestelsel, maar ook in een enorm universum. Als de afstand van de aarde naar de zon gelijk was aan 1 inch, zou de dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri, meer dan 6,5 kilometer verderop staan. Dit laat zien hoe ongewoon het perspectief van de mens is, die op zo’n relatief kleine en unieke planeet leeft, zo dicht bij zo’n krachtige ster. Dit verstoort onze kijk op het universum. Het idee dat wij op een speciale manier verbonden zijn met de zon is een misvatting; we zijn slechts toevallige bewoners van een planeet die in de juiste zone van de zon is geplaatst, perfect afgestemd op de levensbehoeften van de aarde.

De zon, die ons elke dag verwarmt en verlichting biedt, heeft de aarde en het leven zoals wij dat kennen mogelijk gemaakt. Van de meest primitieve organismen tot de complexere levensvormen, het is de zon die, door zijn straling, het pad heeft geëffend voor de evolutie van het leven op aarde. In de verre toekomst, wanneer de zon zijn brandstof verbruikt en het tot een rode reus evolueert, zullen de gevolgen voor de aarde enorm zijn. Dit proces heeft echter een tijdschaal van miljarden jaren, maar het herinnert ons eraan dat alles in het universum vergankelijk is, zelfs de sterren die ons leven mogelijk maken.

Hoe werkt de basis R-pijp en matrices in R?
Wat betekent de zoektocht naar mijn ouders voor mij?
Hoe Maak je Infusies en Bitters voor Cocktails?