De allereerste eclips

De Britse astronoom Richard Stephenson zoekt naar historische meldingen van eclipsen. Daarmee bestudeert hij de verandering van de daglengte.

DE BRITSE astronoom Richard Stephenson gaat naar zijn cottage aan de zuidkust van Cornwall, om daar woensdag de totale eclips te kunnen waarnemen. In dit opzicht onderscheidt hij zich niet van de miljoenen andere Europeanen die, al of niet als astronoom, gebruikmaken van de unieke kans deze keer niet te ver te hoeven reizen om dit natuurverschijnsel te kunnen zien. Wèl is het uniek dat dit de allereerste totale eclips is die Stephenson hoopt te gaan zien, terwijl hij zich al meer dan dertig jaar met eclipsonderzoek bezighoudt.

Stephenson (58) is hoogleraar aan de universiteit van Durham, waar hij de geschiedenis van de natuur- en sterrenkunde doceert. Zijn hoofdtaak is echter het onderzoek aan zonsverduisteringen. Dat onderzoek doet hij niet om meer te weten te komen over de zon, maar over de aswenteling van de aarde. Die lijkt op het eerste gezicht constant, maar is dat niet. Er zijn allerlei periodieke en semi-periodieke fluctuaties. Zo vindt er een langzame vertraging van die aswenteling plaats als gevolg van de getijdenwerking van de maan. Het jaar telde 350 miljoen jaar geleden geen 365 maar 400 dagen. ``Tegenwoordig kunnen we de variaties in de lengte van de dag met een ongelooflijke nauwkeurigheid meten'', zegt Stephenson met een half-Schots accent. Met het wereldwijde netwerk van radiotelescopen en atoomklokken wordt een nauwkeurigheid van een tienduizendste seconde bereikt. ``We analyseren waarnemingen van sterbedekkingen door de maan. Zo kunnen we achterhalen hoe de rotatie vóór 1955, toen de atoomklok werd geïntroduceerd, varieerde. Maar naarmate we verder teruggaan in de tijd, neemt de nauwkeurigheid snel af en als we willen weten hoe de aswenteling vóór 1600 varieerde, moeten we gebruikmaken van waarnemingen die zonder telescoop zijn verricht.''

Zonsverduisteringen blijken in dit opzicht letterlijk een geschenk uit de hemel. Doordat zon en maan vanaf de aarde gezien toevallig vrijwel even groot zijn, wordt de zon alleen in een hooguit 250 km brede gordel op aarde totaal verduisterd. Astronomen kunnen precies berekenen waar die totaliteitszones in het verleden moeten hebben gelegen. Maar als deze berekeningen worden vergeleken met historische waarnemingen, blijkt er altijd een verschil op te treden. De totaliteitszone ligt altijd meer naar het oosten toe en wel verder naarmate de eclips langer geleden plaatsvond.

Omgekeerd zou bijvoorbeeld de totale eclips die in 136 v.C. in Babylon werd waargenomen daar volgens de huidige berekeningen helemaal niet zichtbaar moeten zijn geweest. De totaliteitszone zou over het Spaanse eiland Mallorca moeten lopen, ongeveer 50° westelijker. Dit verschil ontstaat doordat de astronomen bij hun berekeningen uitgaan van de huidige daglengte, terwijl de dag in het verleden korter duurde. Het verschil is gering, een paar milliseconden per eeuw, maar het cumulatieve effect kan op den duur heel groot worden. ``Sinds de oudste eclipsen die we hebben bestudeerd, die rond 700 voor Christus, zijn er een slordige miljoen dagen verlopen en is de totale klokafwijking opgelopen tot zo'n acht uur'', zegt Stephenson. Omgekeerd is het nu dank zij deze klokafwijking – ofwel het verschil in geografische lengte – mogelijk met een ongelooflijke nauwkeurigheid de vertraging van de aardrotatie sinds een bepaald eclipsjaar af te leiden. En door vele eclipsen te traceren, kunnen ook fluctuaties in die vertraging worden gevonden. Historische eclipsen zijn de enige hulpmiddelen om variaties in de aswenteling van de aarde vóór 1600 te bestuderen.

DUISTER

Toen Stephenson zich in de sixties als jong student in de belangrijke rol van historische eclipsen ging verdiepen, betekende dit voor hem `een sprong in het duister' omdat dit onderzoek – dat nu applied historical astronomy wordt genoemd – toen nog in de kinderschoenen stond. Dat staat het nu niet meer, maar het aantal onderzoekers op dit gebied is nog op de vingers van één hand te tellen. ``Het grootste probleem is collega's te vinden die voldoende in dit onderzoek zijn geïnteresseerd'', aldus Stephenson. ``Dat komt doordat het onderzoek zo multidisciplinair is. Je hebt te maken met taalwetenschap, oude en middeleeuwse geschiedenis, astronomie en geofysica.''

Dus graaft Stephenson in vele gevallen zelf zijn bronnen op, vertaalt ze (``Ik kan ook wat Babylonisch en Chinees lezen'') en ontwikkelt zelf de computerprogramma's om de waarnemingen te analyseren. De belangrijkste brongebieden voor oude eclipswaarnemingen zijn Mesopotamië (met name Babylonië), China, het middeleeuwse Europa en Arabische gebieden. Stephenson: ``Vele Chinese, Japanse en Koreaanse kronieken zijn inmiddels in het Engels vertaald en de Babylonische kleitabletten bevinden zich grotendeels in het British Museum. Het gepubliceerde Europese materiaal is meestal zeer toegankelijk. De Arabische bronnen vormen de grootste onbekende, omdat er nog vele honderden astronomische manuscripten zijn die nog nooit het daglicht hebben gezien.''

Tijdens zijn speurtocht in oude kronieken heeft Stephenson overigens ook historische informatie over andere verschijnselen aan de hemel boven water gehaald, zoals over supernova's, zonnevlekken, kometen en meteorenzwermen. Samen met zijn Britse collega David Clark schreef hij The Historical Supernovae (1977), een boek dat een soort bijbel werd voor astronomen die de overblijfselen van ster-explosies die zij nu aan de hemel waarnemen graag willen koppelen aan een datum in het verleden. ``Historische waarnemingen geven zulke verschijnselen een identitieit en helpen bij het testen van de fysische modellen die hun evolutie moeten verklaren'', zegt Stephenson.

Waar het bij het eclipsonderzoek om gaat is die eclipsen te vinden waarvan duidelijk is opgetekend dat de zon als geheel verdween. Een nauwkeurig opgegeven plaats is hierbij van veel groter belang dan een nauwkeurig opgegeven jaartal. Stephenson: ``Een totale eclips is op één bepaalde plaats zo'n zeldzaamheid dat een marge van tien of twintig jaar al voldoende is. Berichten over bijna-totale eclipsen en ook van maansverduisteringen kunnen worden gebruikt voor het afleiden van boven- en ondergrenzen in de variaties van de aardrotatie.''

Stephenson heeft nu zo'n vierhonderd eclipswaarnemingen geanalyseerd. De oudste met zekerheid te dateren (niet-totale) eclips was degene die in 720 v.C. werd waargenomen in China en Babylonië. Berichten over eclipsen uit de tijd daarvoor zijn waarschijnlijk verdwenen doordat zowel de Chinese keizer Hwang-ti (van het beroemde terracottaleger) als de Babylonische koning Nabonassar alle kronieken van hun voorgangers liet vernietigen. Alle informatie over de tijd daarvoor is nu onbetrouwbaar. De Egyptenaren, Inca en Maya en de volkeren in Voor-Indië zouden voor zover nu bekend is geen bruikbare berichten over eclipsen hebben nagelaten en de oude Grieken en Romeinen waren zo weinig in eclipsen geïnteresseerd dat hun berichten `notoir onbetrouwbaar' en op een enkele uitzondering na onbruikbaar zijn.

LASERTELESCOPEN

De belangrijkste invloed op de aswenteling van de aarde is de maan (en in mindere mate de zon). Die veroorzaakt getijden in de oceanen en vaste aarde die de aswenteling afremmen. Als gevolg daarvan verwijdert de maan zich heel langzaam van de aarde: volgens metingen met behulp van lasertelescopen gemiddeld 4 centimeter per jaar. Daaruit kan – via de wet van behoud van impuls – worden afgeleid dat de daglengte iedere eeuw met 2,5 milliseconde zou moeten toenemen. ``Uit het eclipsonderzoek blijkt echter dat de daglengte in de afgelopen 2500 jaar met 1,7 milliseconde per eeuw is toegenomen'', aldus Stephenson. ``Dat impliceert dat er tegelijkertijd een effect moet zijn dat de aswenteling van de aarde versnelt.''

Die versnelling blijkt het gevolg te zijn van het verdwijnen van het poolijs sinds zo'n 10.000 jaar geleden, de zogeheten postglaciale opheffing, waardoor het land langzaam stijgt en de aarde aan de polen wat minder afgeplat wordt. Stephenson: ``Metingen met behulp van geodetische satellieten als Starlette en Lageos laten zien dat de afplatting van de aarde jaarlijks met 3 x 10 procent afneemt. Als gevolg van dit effect wordt de aswenteling van de aarde versneld en neemt de daglengte per eeuw 0,5 milliseconden af. Dit effect komt dus vrijwel precies overeen met het bovengenoemde tekort.''

De eclipsdata wijzen echter ook op de aanwezigheid van een langperiodieke variatie in de aswenteling van de aarde. Deze variatie vertoont over een tijdspanne van ongeveer 1500 jaar een amplitude van ongeveer 4 milliseconden. In bepaalde perioden in de geschiedenis was het gezamenlijke effect van deze variatie en die van de postglaciale opheffing zo groot dat zij het effect van de getijdenremming enkele eeuwen lang min of meer teniet deden.

Het grootste deel van deze langperiodieke fluctuaties zou het gevolg kunnen zijn van de ietwat onvaste koppeling tussen de binnenkern en de mantel van de aarde. Stephenson: ``Uit moderne metingen aan de aardrotatie weten we dat er zulke fluctuaties, met een periode van enkele decennia, bestaan, maar die fluctuaties zijn te klein en te snel om ze in de eclipsdata te kunnen onderscheiden. We zien alleen een soort uitgesmeerd gemiddelde.'' Ook variaties in het zeeniveau op aarde – die weer samenhangen met grootschalige veranderingen van het klimaat – zouden een rol kunnen spelen.

Het eclipsonderzoek levert dus belangrijke informatie op voor geofysici en Stephenson mag er daarom graag op wijzen dat de sterrenkunde in dit opzicht een unieke rol vervult. ``In geen enkele andere wetenschap zijn waarnemingen die twee- tot drieduizend jaar geleden zijn verricht nog van waarde voor het onderzoek dat we nu verrichten'', zegt hij. ``We kunnen nagaan hoe zich in de natuurkunde bijvoorbeeld de techniek van het meten van de lichtsnelheid heeft ontwikkeld, maar de vroegere metingen daarvan spelen geen enkele rol meer bij onze huidige metingen van de lichtsnelheid.''

Stephenson denkt dat vooral de Arabische en laat-middeleeuwse Europese bronnen nog nieuwe waarnemingen kunnen opleveren. Wat dit laatste betreft denkt hij vooral aan lokale bronnen. ``Ik had een keer het geluk een onderzoeker in Polen en een in Italië te vinden die in hun lokale kronieken gingen zoeken en een aardig aantal eclipsen ontdekten die ik niet kende.'' En onlangs kreeg hij bericht van iemand in Montpellier die in kronieken uit zijn omgeving vier eclipswaarnemingen had gevonden waarvan er slechts één bekend was. ``Ik denk dat wanneer ik anderen zou kunnen aanmoedigen, zoals in Duitsland en Nederland, om in hun eigen geschiedenis te gaan zoeken, er misschien nog vele waarnemingen van eclipsen boven tafel komen.''

F. Richard Stephenson, Historical Eclipses and Earth's Rotation, Cambridge University Press 1997.