A napfogyatkozásokat a történelem nagy részében rossz ómenként, baljós jelként értelmezték személyesen az uralkodó számára vagy egész birodalma épségére nézve. Ezek a félelmek, amelyeken ma már talán mosolygunk, ugyanakkor nagyon fontos szerepet játszottak abban a több ezer évnyi tudományos tevékenységben, amely megalapozta a fogyatkozások mai előrejelzését.
A fejlődés Mezopotámiában kezdődött, amikor a történelmi adatokban először kezdtek el periodikus mintázatokat keresni, és a folyamat mára odáig jutott, hogy évszázadokra előre ismerjük a Naprendszer nagyobb égitestjeinek egymástól függő jövőbeli mozgását. Vagyis az, ami egykor kozmikus méretű szorongást okozott az emberiségnek, mára egy pontosan ismert ütemű, óramű pontosságú jelenséggé vált.
Ha ki kellene választani egyetlen fordulópontot az előzmények közül, 1715. április 22. reggele jó választás lenne.
Edmond Halley brit polihisztor, aki leginkább a Halley-üstökös névadójaként ismert, ugyanis erre az időpontra sikeresen megjósolt egy Londonból látható napfogyatkozást.
Egy röplapot is közzétett, amely tartalmazott egy térképet arról az útvonalról, amelyet a Hold árnyéka Anglia fölé rajzol. Ebben az évben Angliának frissen koronázott királya volt, aki ellen már meg is kezdődtek egy lázadás előkészültei. Halley a napfogyatkozás előre jelzésével és ilyen módon való demisztifikálásával azt remélte, hogy semlegesíteni tudja az égi jelenség baljós előjelként való értelmezését. Emellett a kutató olyan adatgyűjtőket is akart toborozni, akik megfigyelései a jövőben még jobb napfogyatkozás-előrejelzésekhez vezethetnek, ahogy ezt a röplapon megfogalmazta.
Előjelek mintázata
Halley az ókori szövegek lelkes olvasójaként évtizedekkel korábban felfedezett egy fontos, égi ciklust, amely nagyban segítette a napfogyatkozásokról és a Hold égi helyzetéről való gondolkodást. Ezt a 6585 napos, vagyis valamivel több mint 18 éves ciklust „Saros” néven emlegette. A nevet modern történészek egy sumer szimbólum félrefordításának tartják, eredetileg valami olyasmit jelenthetett, hogy „univerzum” vagy „nagy szám”.
Időszámításunk kezdete előtt 600 körül Mezopotámiában az asszír és babiloni matematikus papok elkezdték áttekinteni a múltbeli napfogyatkozások agyagtáblákon rögzített dátumait, remélve, hogy ezek alapján módszereket dolgozhatnak ki a következő napfogyatkozás időpontjának meghatározására.
A napfogyatkozások e kultúrákban az uralkodókat aggasztották a leginkább, de nem sokkal később, a horoszkópok elterjedésével mindenkit foglalkoztatni kezdett a Nap, a Hold és a bolygók helyzetének nyomon követése. Az első megoldások meglehetősen elnagyoltak voltak. A holdfogyatkozások például gyakran hat havonta követik egymást. A babiloniak azt is felismerték, hogy az egyes nap- és holdfogyatkozásokat gyakran a Halley által egy Sarosnak nevezett időtartam választja el egy hasonló eseménytől.
Ahhoz, hogy ezt a ciklust mai fejjel megértsük, képzeljük el az égitestek pozícióját egy napfogyatkozás pillanatában, amikor a Hold közvetlenül a Nap és a Föld között helyezkedik el, és mindhárom égitest egy vonalba esik. Ahhoz, hogy ez megtörténjen, a Holdnak újholdnak kell lennie. Továbbá olyan ponton kell lennie, ahol a saját Föld körüli ferde pályáján áthalad azon a síkon, amely mentén a Föld a saját Nap körüli pályáján halad.
Most képzeljük el, hogy az órát előrepörgetve megpróbáljuk megtalálni azt az időpontot, amikor ugyanezek a feltételek megismétlődnek. Több egymást átfedő, de egyenlőtlen holdciklust kell összeegyeztetnünk. Az első, hogy az egyik újholdtól a másikig körülbelül 29,5306 nap telik el. A második, hogy a Holdnak körülbelül 27,2122 napra van szüksége ahhoz, hogy a Föld pályasíkján való áthaladás után ugyanezt az áthaladást a következő alkalommal is megtegye. A harmadik ciklus abból adódik, hogy a Hold ellipszis alakú pályája miatt hol közelebb, hol távolabb kerül a Földtől, így a Hold látszólagos mérete és sebessége is változik az égbolton, és ez a ciklus körülbelül 27,5546 napot vesz igénybe.
A Saros tehát egy szép kerek intervallum, amely alatt mindezek a ciklusok egész számú alkalommal tudnak megismétlődni: 223 újhold-ciklus majdnem pontosan megegyezik az ekliptikán való 242 áthaladási ciklussal, ami viszont majdnem pontosan megegyezik a Hold látszólagos méretének 239-szeri ingadozási ciklusával. Ha tehát láttunk egy nap- vagy holdfogyatkozást, akkor csak ki kell várnunk egy Sarosnyi időt, és az égitesteket durván ugyanabban a geometriai elrendeződésében fogjuk találni. A Hold pályája azonban a valóságban jóval bonyolultabb ezeknél a paramétereknél. Ráadásul ez a recept nem mondja meg, hogy a Földön hol lesz látható a kialakuló napfogyatkozás.
Halley és örökösei
Mire Halley színre lépett és elkezdte vizsgálni a Sarost, hogy átformálja azt saját használatára, további sok évszázadnyi multikulturális erőfeszítés finomította a napfogyatkozásokkal kapcsolatos ismereteket. A babiloniak végül maguk is túlléptek azon az egyszerű empirikus szabályon, hogy két fogyatkozás között ki kell várni Sarost, és bonyolultabb numerikus sémákat dolgoztak ki, amelyek révén kiszámították a Hold várható koordinátáit az égbolton. Az ókori görögök a kozmoszról alkotott saját geometriai elképzeléseiket a babiloni stílusú numerikus számításokkal ötvözték. Erre a szintézisre építve az iszlám világ csillagászai, mint például al-Khwarizmi, az algoritmus szó kilencedik századi kiötlője, trigonometrikus függvényeket és tizedesszámokat vontak be, hogy még fejlettebb előrejelzési módszereket fejlesszenek ki, amelyek már egész Európában visszhangra találtak.
Halleynek pedig az ölébe hullott még egy új eszköz mindezekhez. Nagyjából ugyanabban az időben, amikor felfedezte az ókori Saros koncepcióját, anyagi támogatást nyújtott jó barátja, Isaac Newton gravitációval kapcsolatos teóriáinak publikálásához is, amelyeket Newton aztán a Hold mozgásának megértésére alkalmazott. 1715-re, amikor sok évszázad óta az első napfogyatkozást várták Londonban, Halley kiváló, az ókori és a modern gondolkodásmódot ötvöző kalauzt dolgozott ki a jelenség követéséhez.
A következő fontos lépés 1824-ben következett be, amikor Friedrich Bessel német csillagász a napfogyatkozásokról való gondolkodásra is kiterjesztette a newtoni megközelítést. Bessel elképzelte, hogy a Hold árnyéka egy képzeletbeli síkba vetül, amely a Föld középpontján halad keresztül. Ezt az árnyékot aztán vissza lehetett vetíteni a földgömb felszínére, hogy pontosan lássuk, hol és mikor éri azt az árnyék. Végül ezt is tovább finomítva nem gömbként, hanem gömbölyded, egyenetlen felszínű, forgó tárgyként kezelte a Földet, még pontosabbá téve az előrejelzéseket. A Bessel eredményeinek megismerése utáni időszakban számos nemzet bírt globális hatalommal ahhoz, hogy ezeket az árnyékokat „levadássza”. Ezáltal a kutatók tovább finomíthatták számításaikat a tudományos hatalmi fölényért vívott harcban.
A következő évszázadban számos napfogyatkozás-expedíció segített megoldani a tudomány egyik legnagyobb rejtélyét: vajon a Merkúr furcsa pályája egy felfedezetlen, a Nap körül keringő bolygónak köszönhető (amely feltehetően láthatóvá válna egy napfogyatkozás során)? Vagy valami probléma van Newton gravitációval kapcsolatos elméletével?
Ezek a kérdések még fontosabbá tették a napfogyatkozások előrejelzését és megfigyelését. A kutatók távoli expedíciókra indultak a Föld minden sarkába, szigorú utasításokkal felvértezve, hogy pontosan mikor és hol kell lenniük, és milyen adatokat kell rögzíteniük. Ezekről aztán általában igen száraz, néhol rapszodikus, viktoriánus leírásokkal megszakított jelentéseket nyújtottak be.
A 20. század folyamán a probléma ismét új formát öltött. A napfogyatkozások megfelelő előrejelzésének mindig is meg kellett küzdenie azzal a ténnyel, hogy a Hold és minden más égitest a Naprendszerben folyamatosan „rángatja” egymást. Ez már nem is a híresen megoldhatatlan „háromtest-probléma” volt, hanem az N-test-probléma. Amikor a NASA elkezdett embereket és robotokat indítani a Naprendszer égitestjei felé, még sürgetőbbé vált az igény, hogy tudjuk, hol vannak ezek a különböző égitestek, és hol lesznek a jövőben.
Az Apollo-program űrhajósai által a Holdon hagyott tükröknek köszönhetően mostanra néhány méteres pontossággal tudjuk, hogy a Hold hol van a Földhöz képest, mondja Ryan Park, a NASA JPL Naprendszer-dinamikai csoportjának vezetője. És mivel számos űreszköz sugároz vissza távolságmérési adatokat, miközben a Naprendszert járják, a Nap helyzetét is nagy pontossággal ismerjük.
Park csapata a Hold és a Nap helyzetére vonatkozó adatokat, a bolygók és a több száz aszteroida hasonló paramétereivel, valamint a napszél által okozott nyomás és nemcsak a newtoni gravitációs törvények, hanem az általános relativitáselmélet finomabb módosításai is számításba véve, egy számítógépes modellbe táplálja. Ezután a modell egy listát készít többek közt a Hold várható pozícióiról. A JPL csapata rendszeresen frissíti a modellt, és új listákat tesz közzé.
Ezek a pozíciós adatok már jóval pontosabbak, mint ami a napfogyatkozások előrejelzéséhez szükséges, azonban nagyon jól jönnek az űrbéli küldetésekhez. Park elmondása szerint nagyon meglepődött, amikor komoly űrmissziók fejlesztői arról kezdték kérdezni, hogy vajon van-e arra kidolgozott módszer, ami elárulja, hogy egy adott időpontban hol lesz a Hold, vagy nekik kell kitalálni az adott küldetéshez. Ahogy Park felidézi:
„Mondtam nekik, hogy nem, nem, nem, ezt a problémát már évekkel ezelőtt megoldottuk.”
