Geschiedenis van de planetaire leer



Het is nog maar een paar eeuwen geleden dat mensen het zonnestelsel op een totaal andere manier bekeken. Niet de zon, maar de aarde werd door de geestelijkheid, en daarmee het gehele ‘gewone volk’, beschouwd als het centrale punt waar alle hemellichamen omheen draaiden. Omdat in die tijd alleen de zon, de maan en de planeten tot de bewegende kosmos werden gerekend, moest onze planeet niet alleen het brandpunt van het zonnestelsel, maar ook het hart van het gehele universum vormen...



Pas in de zeventiende eeuw zette een eigengereide Italiaanse wetenschapper een streep onder het geocentrische denken. Hier gingen echter duizenden jaren aan vooraf, waarin verschillende wijsgeren hun visies op het zonnestelsel gaven; op basis van godsdienst, wetenschap, of - vaker - een combinatie van beide.

Een geocentrisch wereldbeeld
De eerste opgetekende gedachtespinsels over de plaats van de aarde in de kosmos, stammen uit de zesde eeuw voor Christus. Herhaaldelijk werd toen verondersteld dat de aarde zich in het middelpunt van het universum bevond. En volgens de allerjongste theorieën zou de aarde zelfs niets ander zijn dan een ‘platte pannenkoek’ die op een onmetelijke oceaan dreef.

Pythagoras
De Griekse wijsgeer Pythagoras, ook wel bekend van zijn wiskundige ‘stelling’ maakte nog dezelfde eeuw korte metten met dit idee. Hij promootte een volmaakt geordend systeem met cirkels als de meest elementaire vormen. Als eerste maakte hij gewag van de aarde als een bolvormig lichaam; volgens de overlevering omdat hij een schip langzaam achter de horizon zag ‘wegzakken’. De overige planeten, de zon en de maan, draaiden naar zijn mening allemaal in perfecte ronde banen om de aarde.

Aristoteles
Enkele eeuwen later zette de eveneens Griekse wijsgeer Aristoteles (310 - 230 v. Chr.) het debat opnieuw op scherp. Hij introduceerde een model van het universum met verschillende sferen. De binnenste, aardse regio was volgens hem een dynamisch gebied. Hier zouden de vier elementen, aarde, water, vuur en lucht, overheersen. De overige delen van zijn model, die der ‘hemelen’, omvatten de sferen van de bewegende hemellichamen: respectievelijk de maan, Mercurius, Venus, de zon, Mars, Jupiter en Saturnus. De laatste sfeer was voorbehouden aan de ‘statische’ sterrenhemel. Daarbuiten bevond zich volgens Aristoteles niets, zelfs geen ruimte.

Ptolemaeus
Dit klassieke gedachtegoed hield niet lang stand. Theorie was niet te verenigen met realiteit. De planeten hadden immers geen constante bewegingssnelheid, fluctueerden in helderheid en maakten bovendien merkwaardige manoeuvres aan het firmament. Ongeveer één eeuw na het begin van onze jaartelling, zette Claudius Ptolemaeus, een wetenschapper die gebruik maakte van de kennis in de bibliotheek van Alexandrië, een alternatieve wiskundige verklaring op papier in zijn bekende werk Almagest.

Ptolemaeus speelde op het probleem van de tegengestelde bewegingen en helderheidsfluctuaties in door in zijn model gebruik te maken van zogenoemde epicykels: deelcirkels waarvan het middelpunt op de eigenlijke baancirkel van een hemellichaam ligt. Hij beweerde, met andere woorden, dat alle planeten in hun omloop rond de aarde kleinere banen beschreven om een punt in hun eigen sfeer. Omdat de zon en de maan aan de hemel geen afwijkingen of retrograde bewegingen vertoonden, kende hij dit tweetal geen epicykel toe.

De kerk reageerde enthousiast op het ‘wetenschappelijk verantwoordelijke’ model van Ptolemaeus, met de aarde in het middelpunt van het heelal, en adopteerde dit Ptolemeïsche wereldbeeld vrijwel direct. Met de absolute heerschappij in handen van de geestelijkheid en het intellectuele verval gedurende de middeleeuwen, duurde het daarna bijna 1500 jaar totdat iemand hier publiekelijk vraagtekens bij plaatste.



Een heliocentrisch wereldbeeld
Aan het begin van de zestiende eeuw kwam de elite geleidelijk tot het besef dat het Ptolemeïsche model niet accuraat genoeg was. Met behulp van de epicykels konden de bewegingen van de hemellichaam slechts in beperkte mate worden verklaard. Voorspellingen van samenstanden, eclipsen en overgangen kwamen maar al te vaak niet uit. En ook de Juliaanse kalender begon afwijkingen te vertonen. Er zou een revolutie in het astronomische denken voor nodig zijn om al deze problemen op te lossen.

Copernicus
De aanzet tot deze radicale omslag kwam in 1543 met de postume publicatie van een werk van een Poolse monnik: Nicolaas Copernicus. In het eerste deel van zijn De Revolutionibus orbium coelestium stelde hij dat niet de aarde, maar de zon het middelpunt van het heelal vormde: een heliocentrisch wereldbeeld. Hiermee bood hij op verassend eenvoudige wijze een verklaring voor de retrograde bewegingen van de tot op dat moment bekende planeten. Toch werd het model door vrijwel niemand geaccepteerd. Maar doordat de concepten van de volmaakte cirkel en de epicykel ook in De Revolutionibus een rol bleven spelen, konden zijn heliocentrische wiskundige constructies gemakkelijk worden omgezet naar geocentrische.

Galilei
De uitvinding van de telescoop door de Italiaanse astronoom Galileo Galilei in 1609, was zonder twijfel de belangrijkste doorbraak in de zoektocht naar de ware aard van het zonnestelsel. Voor het eerst in de geschiedenis zag een mens de hemellichamen in meer detail. De ontdekking door Galilei van een viertal kleine objecten die om Jupiter cirkelden (tegenwoordig de ‘Galileïsche manen’ Io, Ganymedes, Europa en Callisto) zette de wereld op zijn kop. Het maakte immers duidelijk dat niet álles om de aarde draaide. De bevindingen van Galilei, die in 1632 werden gepubliceerd in zijn boek Dialoog over de Twee Belangrijkste Wereldbeelden, werden door het Vaticaan als ondermijnend ervaren en direct terzijde geschoven. In een poging zijn geloofwaardigheid niet te verliezen, bracht de paus hem voor het Heilige Officie van de inquisitie. Het hof dwong Galilei zijn overtuigingen af te zweren en veroordeelde hem tot een levenslang huisarrest. Pas drie eeuwen later, in 1992, werd Galilei door de kerk officieel in ere hersteld.

De ‘voltooiing’ van het zonnestelsel
Onder meer dankzij het grensverleggende werk van Copernicus en Galilei naderde het model van het zonnestelsel vanaf de Renaissance zijn voltooiing. Wiskundig hadden de verschillende heliocentrische wereldbeelden echter nog wel wat tekortkomingen. Het was Johannes Kepler, een tijdgenoot van Galilei, die door het formuleren van een drietal wetten een aanvang maakte met het perfectioneren van ons perspectief op het zonnestelsel.

De wetten van Kepler
Kepler opperde dat de planeten niet zozeer in de altijd opgehemelde volmaakte cirkels bewogen, maar dat zij in werkelijkheid ellipsvormige banen om de zon beschrijven. Volgens de Duitser bevond de zon zich per definitie altijd in één van de brandpunten van een baanellips. Deze veronderstelling bleek volkomen correct en wordt tegenwoordig aangeduid als de ‘eerste wet van Kepler’.

De tweede wet die Kepler formuleerde, had betrekking op de bewegingssnelheid van de planeten. Hij hanteerde daarbij de vuistregel dat een hemellichaam sneller beweegt naarmate zijn afstand tot de zon kleiner is. Met behulp van eenvoudige wiskunde concludeerde hij (zie figuur) dat een willekeurige planeet in dezelfde tijd langs dezelfde oppervlakte (O) loopt, met O als de oppervlakte van het baanvlak tussen twee posities van een planeet in de tijd enerzijds en de zon anderzijds. Dit staat ook wel bekend als Keplers Perkenwet. Zo zal het hemellichaam in bijbehorende figuur met een gelijke O even lang doen over het stuk A-A' als over het stuk B-B’.

Als laatste slaagde Kepler er ook in de relatie tussen de afstand van de planeten en hun omloopperiodes te beschrijven. In feite komt het volgens zijn harmonische wet hier op neer: het kwadraat van de omlooptijd van een planeet is evenredig met de derde macht van haar afstand tot de zon. Een belangrijke implicatie hiervan was dat de omloopperiode van een verre planeet per definitie langer is dan die van een nabije planeet.

Newton
In de zeventiende eeuw voegde de Britse geleerde Isaac Newton twee essentiële wetten toe aan de op dat moment vergaarde kennis: de traagheidswet en de actie-reactie-wet. Daarmee kon de speurtocht naar nieuwe planeten pas écht effectief beginnen. Met een derde wet, die verscheen in zijn meesterwerk Principia, legde Newton zelfs een universele gravitatiewet vast voor de aantrekkingskracht tussen objecten met massa.

De ‘moderne’ planeten
Op 13 maart 1781 ontdekte de amateur-astronoom William Herschell met een grote spiegelkijker een nieuw hemellichaam. Uranus, zoals hij werd genoemd, werd zo de eerste planeet van de moderne tijd. De vondst was voornamelijk te danken aan de waarneemkwaliteiten van de Engelsman. Maar dankzij deze ontdekking, konden de mathematische principes van Newton beter dan tevoren in de praktijk worden gebracht, wat ruim zestig jaar later resulteerde in de verrijking van het bekende zonnestelsel met nog een achtste planeet.

Al aan het begin van de achttiende eeuw wisten astronomen te voorspellen in welke baanregionen zich een tot dusver nog onbekende grote planeet moest bevinden. Volgens hen konden bepaalde trillingen in de baan van Uranus alleen verklaard worden als zich verderop in het zonnestelsel een zwaar hemellichaam zou bevinden dat gravitatiekrachten op de gasreus uitoefende. Op 23 september 1846 ontdekte Johann Gotfried Galle inderdaad een nieuwe planeet nabij de berekende positie. Toevallig of niet, de gasreus die de naam Neptunus kreeg, verenigde wiskunde en astronomie definitief.

Hoewel Neptunus volgens officiële instanties de rij der planeten sluit, beschouwen velen ook een veel kleiner hemellichaam, dat pas medio vorige eeuw werd ontdekt, als een klassieker onder de planeten. Het ijzige planeetje, Pluto, werd op 23 januari 1930 bij toeval opgespoord door de Amerikaan Clyde Tombaugh. Met de eerste dwergplaneet als ‘extraatje’, was het ruwe fundament onder onze kennis van het zonnestelsel daarmee voltooid.

Auteur(s):     A.S.