Objev planety Ceres Ferdinandea

Miloš Tichý - 8. 7. 2008

Historie moderního zkoumání sluneční soustavy je stará jen necelá tři století. Z toho, co dnes označujeme za sluneční soustavu, lidstvo už od starověku znalo jen Slunce, Měsíc, a pět planet – Merkur, Venuši, Mars, Jupiter a Saturn. A občas nějakou tu jasnou kometu. Zkrátka jen to, co bylo a je viditelné pouhým, neozbrojeným okem. Nic dalšího jsme až do konce osmnáctého století neznali.

Ve druhé polovině osmnáctého století, v roce 1766, si německý matematik D. Titius všiml závislosti průměrné vzdálenosti planety od Slunce dle matematické posloupnosti. O šest let později tento zákon, toto pravidlo, publikoval tehdejší ředitel berlínské hvězdárny J. E. Bode.

Titius-Bodeovo pravidlo, zvané též zákon či řada, uvádí následující rovnice a tabulka (pro tělesa v době jejího zformulování):

                a = 0,4 + 0,3×2ⁿ (n = −∞, 0, 1, 2, ...).

tj. pro známé planety dostaneme tabulku:

 

 

Planeta	n	Titius-Bodeovo pravidlo (AU)	velká poloosa dráhy (AU)
Merkur	-∞	0.4	0.39
Venuše	0	0.7	0.72
Země	1	1.0	1.00
Mars	2	1.60	1.52
chybějící planeta	3	2.80	-
Jupiter	4	5.20	5.20
Saturn	5	10.0	9.54

Prvním tělesem sluneční soustavy, které jsme neznali od dávných časů, byla planeta Uran, objevena Williamem Herschelem v roce 1781 (první seriózní záznam o pozorování této planety se datuje rokem 1690, kdy jej anglický astronom John Flamsteed zaznamenal jako 34. hvězdu souhvězdí Býka). A i tato planeta splňovala podmínku Titius-Bodeova pravidla, a tudíž tento zákon objev jen potvrdil.

 

 

Uran

6

19.6

19.2

 

Po objevu planety Uran se zdála být platnost Titius-Bodeova pravidla opravdu potvrzena (pro Neptun a Pluto však už toto tzv. pravidlo nevyhovuje). Řada tehdejších astronomů se rozhodla tuto, stále unikající planetu, najít. Dle pravidla byla známa velká poloosa její dráha – 2.8 AU.

Jedním z nich byl i dvorní astronom v městě Gotha, baron Franz Xaver von Zach, který podporován Bodem, začal v roce 1787 s jejím hledáním. Rozumně se omezil na oblast nebeské sféry poblíže ekliptiky. Za tím účelem si vytvořil vlastní katalog hvězd blízkých ekliptice, ale i tak bylo jeho snažení marné. Na podzim 1799 navštívil astronomy v Celle, Brémách a v Lilienthalu, s nimiž o tomto problému diskutoval. Došli k závěru, že takový úkol nemůže zvládnout jeden astronom. Proto se 21. září 1800 sešli v Lilienthalu von Zach, J. H. Schröter, H. W. M. Olbers, C. L. Harding, F. A. Freiherr von Ende a J. Gildemeister. Protože na schůzce dospěli k závěru, že ani šest zkušených pozorovatelů není dostatečný počet, rozhodli se přizvat další evropské astronomy. Rozdělili proto oblast zvířetníku na 24 stejných úseků po 15° a vymezili tyto úseky na oblast 7° až 8° na sever a na jih od ekliptiky. O přidělení oblastí rozhodoval los. Tak vznikla první mezinárodní astronomická kampaň v historii. Její účastníci se nazvali "nebeskou policií".

 

Giuseppe Piazzi na obraze od G. Velasca, 1805

Jedním z přizvaných astronomů byl i italský profesor matematiky Giuseppe Piazzi z Palerma na Sicílii, který sice nebyl zkušeným astronomem, ale díky podpoře tehdejšího neapolského krále Ferdinanda IV. vybudoval v létech 1780 až 1791 ve věži královského paláce astronomickou observatoř. V té době to byla nejjižnější hvězdárna v celé Evropě. V roce 1789 ji vybavil výkonným čočkovým dalekohledem s objektivem o průměru 7,5 cm, pětistopým vertikálním a třístopým azimutálním kruhem s velmi přesným odečítáním souřadnic, který zhotovil anglický mechanik Jesse Ramsden. Toto zařízení patřilo ke špičkovým astrometrickým přístrojům té doby.

 

palermská observatoř na Normanském paláci v Palermu

Hlavním cílem Piazziho však nebylo hledání nové planety, ale sestavení co nejpřesnějšího katalogu hvězd. Na tomto úkolu pracoval též 1. ledna 1801. Při hledání hvězdy Mayer 87 podle Wollastonova katalogu (ve skutečnosti se jednalo o hvězdu Lacaille 87, z toho důvodu poloha u Wollastona nesouhlasila s údaji v Mayerově katalogu a proto to Piazzi kontroloval) spatřil dosud nepopsaný objekt hvězdné velikosti 8m. Stalo se tak v první noci 19. století – 1. ledna 1801. Když dalšího dne zjistil, že se objekt mezi hvězdami posunul, věnoval mu bližší pozornost. Dne 24. ledna téhož roku rozeslal kolegům dopis o objevu, kde objekt opatrně nazval kometou. Svému kolegovi B. Orianimu do Milána např. napsal:

Pozoroval jsem 1. ledna poblíž ramena Býka hvězdu osmé velikosti, která se dalšího večera, tedy 2., posunula o 3' 30" přibližně k severu a o 4' přibližně ke znamení Berana .. Já bych tu hvězdu označil jako kometu, avšak nevykazuje žádnou mlhovinu a pak její pohyb je tak pomalý a pravidelný, že mi spíše připadá na mysl, že by to mohlo být něco lepšího než nějaká kometa. Je to jen domněnka a to mi velice brání ji zveřejnit...

 

Piazziho podpis z dopisu Orianimu

Pozorování pokračovalo až do 11. února 1801, kdy se objekt přiblížil ke Slunci natolik, že již nebyl pozorovatelný. Celkem jej Piazzi sledoval po dvacetčtyři noci.

 

Přestože byl Piazzi matematik, neměl k dispozici vhodnou výpočetní metodu, aby z tak krátkého úseku dráhy stanovil dostatečně přesně elementy dráhy nového tělesa. Svými výpočty pouze zjistil, že se nepohybuje po parabole, což se tehdy předpokládalo o kometách, ale spíše po kružnici.

Prakticky až do poloviny 19. století byla ještě považována za planetu a dostala dokonce i grafický symbol:  

 

titulní stránka Piazziho brožury o objevu Ceres (1802)

O tom, že s dalšími  tělesy mezi drahami Marsu a Jupitera bylo do poloviny devatenáctého století zacházeno jako s řádnými planetami svědčí i následující tabulka, ukazující astrologické symboly pro nově objevená tělesa.

 

Ani objev další několika planetek na tom nic nezměnil. Teprve v 50. letech 19. století, kdy objevů planetek kvapem přibývalo, začala být spolu s ostatními podobnými tělesy považována za „pouhou“ planetku, čili asteroid. Na počátku Piazzi velikost nového tělesa značně přecenil; odhadoval, že jeho průměr je srovnatelný s průměrem Země. Naproti tomu anglický astronom William Herschel již v květnu 1802 po objevu druhé planetky (2) Pallas předpokládal, že se jedná o malá tělesa a navrhl je pojmenovat asteroidy, tedy hvězdám podobné. Vývoj názorů na rozměr prvních planetek dobře dokumentuje následující obrázek. Není tudíž vůbec nic divného na faktu, že daná tělesa opravdu nazývaly prvotně planetkami. Je vidět i prozíravost Herschelova. Celosvětová změna názorů na tato tělesa přišla po roce 1850 s nárůstem počtu jejich objevů (takže zase za to může pokrok).

 

Vývoj "názorů" na velikost planetek

Ač Piazzi považoval svou Ceres Ferdinandeu za osmou planetu sluneční soustavy, dnes už dávno víme, že je největší planetkou hlavního pásu mezi drahami Marsu a Jupiteru, a že Piazzi je vlastně zakladatelem nového odvětví astronomie. Regulérní osmou planetou sluneční soustavy se stal až Neptun, objevený dvacet let po Piazziho úmrtí, v roce 1846.

Planetka (1) Ceres sice získala pořadové číslo jedna, přišla však o svůj přídomek Ferdinandea po Ferdinandu IV. králi obojí Sicílie v době objevu, jméno Ceres po antické bohyni úrody a patronce Sicílie jí zůstalo.

Piazzi předznamenal následné hledání planetek jak svou precizností, tak tím, že planetku nejen objevil, ale i dále sledoval, čemuž se dnes říká následná astrometrie (follow-up). Vybudoval novou observatoř, vybavil ji vynikajícími přístroji a získal jí podporu panovníka. Byl tak vlastně i vynikajícím astronomickým manažerem, který tyto výdobytky jako vědec dokázal perfektně využít. Planetka Ceres je dodnes nejvýznamnějším objevem Observatoře v Palermu.

Piazziho objev ověřil existenci tělesa mezi Marsem a Jupiterem, dříve již očekávanou. Postupem doby se ale ukázalo, že nejde o objev jednoho tělesa, ale dokonce o objev nového druhu tělesa – planetek čili asteroidů. Tento objev nejen že posunul kupředu výzkum naší sluneční soustavy, ale dal též mohutný impulz pro vývoj věd matematických. Před objevem Ceres nebylo matematických prostředků na výpočet eliptických drah těles sluneční soustavy.

 

rodný dům Piazziho v Ponte in Valtellina

Problém výpočtu parametrů drah však vyřešil geniální německý vědec C. F. Gauss, který vypracoval v létě roku 1801 matematický postup, umožňující stanovit elementy dráhy z menšího počtu pozorování, tzv. metodu nejmenších čtverců. Díky tomu mohl planetku von Zach 7. prosince 1801 znovu objevit. Metodu Gauss kompletně vymýšlel v publikoval v letech 1801-1805. Jeho metoda, jako základ pro výpočet drah planetek, se používá až dodnes.

Co bylo na Gaussově metodě nového? Do Gausse uměli matematici počítat ve sluneční soustavě jen dva typy drah, kruhovou a parabolickou (a to ještě s problémy). To ale na výpočet dráhy planetek nestačilo – a výpočet dráhy byl nutný pro určení efemeridy planety, tj. pro její znovunalezení. Matematický problém byl poměrně zásadní. Na obloze měříme plošně (rektascenzi a deklinaci), leč dráha ve sluneční soustavě je prostorová. Jak se dostat z plochy, tj. dvou rozměrů, do prostoru, tj. trojrozměrného světa. Gauss přišel na to, že máme vlastně pro prostorovou dráhu potřeba šest proměnných. Z pozorování během jedné noci jich získáme dvě. A pokud použijeme tři noci pozorování, tj. dva krát tři – máme hned proměnných šest. Vlastně zjistil, že pozorováními ve třech nocích můžeme proložit právě jednu jedinou kuželosečku - elipsu, tj. právě šest parametrů dráhy splňuje podmínku, že platí pro ony tři pozorování ve třech nocích. Tento princip z počátku devatenáctého století se ve výpočtu drahu používá dodnes.

 

Na objevování planetek a názorů na nich lze krásně demonstrovat, že věda není jen suché „papouškování“ faktů, ale je to proces určitého vývoje, a to nejen technicko-technologického ale i názorů. Z prvních planet mezi Marsem a Jupiterem máme již planetky, a to ne několik desítek či stovek, dokonce již několik set tisíc. A technika? Piazzi a jeho následovníci až do devadesátých let devatenáctého století objevovali planetky vizuálně, porovnáním zákresů zorného poel v dalekohledu po několi nocí či později pozovnáním s mapou. Zkrátka si to museli odsedět a odkreslit u dalekohledu. Poté následovala (od roku 1891) skoro jedno století trvající éra fotografického výzkumu, kdy se planetky hledaly jako pohybující se objekty na fotografických snímcích. Od osmdesátých let dvacátého století nastává éra křemíková – fotografické desky jsou vytlačeny maticemi CCD. Tudíž astronom sedí hezky v teple u počítače a v kopuli mrzne již jen elektronická CCD kamera. Ne všechny hvězdárny ale byly schopny se přeorientovat na novou technologii (teď mluvíme o planetkových observatořích). Například v Evropě zvládla přechod jen jediná – jihočeská Observatoř Kleť, kdy 0,85-m fotografický dalekohled typu Maksutov nahradil moderní 1.06-m zrcadlový teleskop KLENOT se CCD kamerou, zatímco například vídeňská hvězdárna, věnující se kdysi vizuálním objevům planetek (J.Palisa), či německý Heidelberg (proslulý fotografickým hledáním planetek) se již dávno tomuto oboru nevěnují.

Zdroj: Asteroids 2001 from Piazzi to the 3rd millennium- sborník z konference a zápisky autora z konference, Palermo, Sicílie, 2001

viz též článek Nezapomenout na Palermo