Tähtitieteen vaiheita Helsingin yliopistossa - Observatorio 150 vuotta

ETUSIVU
SISÄLLYS
VIITTEET
LÄHTEET
SANASTO

Luonnontieteiden nousu 1700-luvulla

Matematiikan luoma pohja

Suuri Pohjan sota (1700-1721) vaikeutti Akatemian toimintaa, pakottipa sen vihdoin 1713 sulkemaan ovensa. Kun akateeminen elämä uudelleen käynnistyi syksyllä 1722 olojen rauhoituttua ja tasaannuttua, myös uudet virtaukset alkoivat tuntua yliopiston toiminnassa. Tieteiden teologiaa palvelevat päämäärät saivat vähitellen väistyä, ja tieteitä ruvettiin harjoittamaan entistä enemmän niiden itsensä takia.

Tässä hengessä perustettiin myös Ruotsin tiedeakatemia 1739 vanhempien eurooppalaisten esikuvien mukaan. Siihen kuului yliopistojen oppineiden lisäksi myös tieteestä kiinnostuneita soveltajia, kuten lääkäreitä, linnoitusupseereita ja muita virkamiehiä.

Alkavan hyödyn aikakauden hengessä pantiin lisääntyvästi painoa myös tieteiden sovellutuksille. Tutkimusta suunnattiin käytäntöä ja taloudellista hyötyä korostaen. Ortodoksisuudesta vapautuva teologiakaan ei enää pyrkinyt kahlitsemaan luonnontieteiden harjoitusta.

Nils Hasselbom (1690-1764) toimi matematiikan professorina 1724-1758. Hän esitteli fysiikan opetuksessaan vielä Descartesin, mutta myös Newtonin oppeja. Hänen seuraajansa Martin Johan Wallenius (1731-1773, professorina 1758-1773) toi Turun akatemiaan differentiaali- ja integraalilaskennan tutkimuksen sekä opetti Newtonin mekaniikkaa. Walleniuksen aikana yliopiston matematiikan opetus ja tutkimus nousi tieteen eturivin tuntumaan.

Fysiikassa kehitys ei tapahtunut samassa tahdissa. Vuosisadan ensi puoliskolla newtonilaisuus kyllä selvästi syrjäytti kartesiolaisuuden, mutta Turun väitöskirjat säilyttivät vielä periaatteita kuvailevan luonteensa, eikä itsenäisiä tutkimuksia juuri syntynyt.

Tähtitieteen vakavan harjoittamisen edellytykset ja pohja luotiin siis Turun akatemiassa matematiikan tieteellisen ja opetuksellisen tason kohoamisen myötä. Seuraukset näkyivät ennen pitkää.

Tornionlaakson astemittaus

Juhannuksesta 1736 kesäkuun alkuun 1737 Ranskan tiedeakatemian retkikunta mittasi Tornionjokilaaksossa vajaan asteen mittaisen meridiaanikaaren pituuden. Mittauksen päätepisteenä olivat Tornion kirkko ja Pellon Kittisvaara. Retkikuntaa johti Pierre-Louis Moreau de Maupertuis (1698-1759). Muista jäsenistä mainittakoon Alexis Claude Clairaut (1713-1765), joka tunnetaan Kuun radan tutkimuksestaan ja siinä yhteydessä kehittämästään häiriöteoriasta. Mukana oli myös Uppsalan yliopiston tähtitieteen professori Anders Celsius (1701-1744), jonka suosituksesta mittausalueeksi valittiin juuri Tornionjokilaakso.

[kuva s. 18]

Kahden jalan kvadrantti jota de Maupertuis'n (1698-1759) retkikunta käytti mitatessaan meridiaanikaaren pituutta Tornionlaaksossa vuosina 1736-1737. Koje on nykyisin Potsdamin-Babelsbergin observatoriossa. de Maupertuis toimi viimeisinä vuosinaan Berliinin tiedeakatemian esimiehenä. (DDR Akademie der Wissenschaften)

Retkikunnan tarkoitus oli ratkaista havaintojen avulla Newtonin mekaniikan ja Descartesin pyörreteorian välinen paremmuus. Newtonin mukaan maapallo olisi navoiltaan litistynyt, kun taas Cartesiuksen mukaan se olisi navoiltaan pullistunut. Kysymys voitiin selvittää mittaamalla esimerkiksi yhden asteen mittaisen meridiaanikaaren pituus sekä päiväntasaajan että navan läheisyydessä. Jos Maa on navoiltaan litistynyt, saman asteluvun meridiaanikaari pitenee napoja kohti. Ranskan tiedeakatemia lähetti tehtävää varten kaksi retkikuntaa, toisen La Condaminen (1701-1774) ja Bouguerin (1698-1758) johdolla Peruun ja toisen Lappiin.

Kun retkikuntien tuloksia verrattiin, todettiin Maa navoiltaan litistyneeksi. Erilaisten samaan suuntaan vaikuttaneiden virheiden takia litistymiselle saatiin kuitenkin liian suuri arvo [1].

[kuva s. 19]

de Maupertuis'n meridiaanikaaren mittaus ulottui vaaralta vaaralle Tornion kaupungin kirkontornista Pellon Kittisvaaran huipulle. Matkaa on vajaa aste. Perusviiva mitattiin puutangoilla Tornionjoen jäälle. Perusviivan pohjoinen päätepiste oli Aavasaksan juurella Rahtulan Maijalanvaarassa, Övertorneån pappilaa vastapäätä. Eteläinen päätepiste sijaitsi joen länsirannalla Niemiskylän rannassa. (Apotti Outhierin vuonna 1736 piirtämä kartta.)

Havaintotoiminnan alku Turussa

Pikkuvihan jälkeen 1743 Ruotsin hallitus alkoi kiinnittää erikoista huomiota Suomen olojen kehittämiseen, mihin valtakunnan itäisen osan vaikuttajat myös pyrkivät. Tämän toiminnan seurauksena ryhdyttiin Suomen kartoitukseen vuoden 1747 valtiopäivien päätöksen mukaan. Suomeen perustettiin maanmittauskomissio ja sen yhteyteen tähtitieteellisen observaattorin toimi. Observaattorin tehtävä oli suorittaa tarpeellisia tähtitieteellisiä ja kolmiomittaushavaintoja sekä maanmittarin töiden yhteensitomiseksi että maan maantieteellisen sijainnin määräämiseksi yleensä. Virkaan nimitettiin 1748 Akatemian matematiikan dosentti Jacob Gadolin (1719-1802).

Gadolin suoritti kolmiomittauksen Turusta Grisslehamnin lähistölle Ruotsin rannikolle ja toisen ketjun mittauksen Ahvenanmaalla. Mittauksia hän ei redusoinut itse, vaan ne julkaistiin vasta 1895 [2]. Töitään varten Gadolin sai käyttöönsä Ruotsin maanmittauskonttorin välineitä, joista tärkein oli todennäköisesti de Maupertuisin retkikunnan Ruotsiin jättämä 3,25 jalan kvadrantti.

Gadolin nimitettiin Akatemian fysiikan professoriksi 1753. Observaattorina häntä seurasi Johan Justander (1713-1774), joka ulotti kolmiomittausketjun Turusta Helsingin tienoille.

Gadolin siirtyi 1762 teologian professoriksi ja 1788 Turun piispaksi. Fysiikan professorina häntä seurasi Anders Planman (1724-1803), joka toimikin virassa vuoteen 1801.

Tähtitieteen uusien virtausten Ruotsiin tuloon vaikutti voimakkaasti Anders Celsius. Hänen isänsä ja molemmat isoisänsä olivat olleet Uppsalan tähtitieteen professoreita, johon virkaan Anders Celsius nimitettiin 1730. Vuodesta 1732 lähtien Celsius vietti viisi vuotta ulkomailla, mm. Saksassa, Italiassa, Ranskassa ja Englannissa. Pariisissa hän tutustui tiedeakatemian tutkijoihin ja sai de Maupertuisin suuntaamaan astemittausmatkansa Tornionjokilaaksoon Islannin tai Pohjois-Norjan sijasta. Ranskasta ja Englannista Celsius toi ja tilasi ajanmukaisia havaintokojeita Uppsalaan, jonka välineistö oli niukka ja rappeutunut. Hän sai kokemusta myös osallistumalla 1736-1737 de Maupertuisin retkikuntaan. Celsius perusti Uppsalan yliopiston ensimmäisen varsinaisen observatorion, joka valmistui 1742.

Havaintotoimintaan keskittyvän tähtitieteen arvostusta kuvaa hyvin, että Tiedeakatemialle valmistui vuonna 1753 Tukholmaan observatorio. Sen suunnittelivat tiedeakatemian sihteeri Per Elvius (1710-1749), A. Celsiuksen oppilas, tiedeakatemian seuraava sihteeri Pehr Wilhelm Wargentin (1717-1783) ja arkkitehti, yli-intendentti Carl Hårleman (1700-1753).

Merenkulun suurin ongelma oli yhä pituusasteen määräys. Kun paikallisaika voidaan aluksella määrätä havainnoista, täytyy jonkin vertailumeridiaanin aika myös tuntea, jotta pituusaste-ero saadaan selville. Erilaisia laajoilta maapallon alueilta näkyviä, ennalta laskettavia tähtitieteellisiä ilmiöitä pyrittiin käyttämään tässä hyväksi. Sellaisina käytettiin mm. Jupiterin kuiden pimennyksiä ja kiintotähtien peittymisiä Kuun taakse.

Jotta jälkimmäisen keinon tapahtumat voitaisiin täsmällisesti ennalta laskea, täytyi Kuun rata tuntea tarkasti. Aiemmin mainittu Clairaut työskenteli radan laskuongelmien parissa.

Ranskan tiedeakatemia päätti vuonna 1750 lähettää de la Caillen (1713-1762) Hyväntoivonniemelle havaitsemaan Kuuta, Marsia ja Venusta samanaikaisesti Euroopasta tehtävien havaintojen kanssa Kuun radan ja Auringon parallaksin määräämiseksi. Wargentin liittyi hankkeeseen ja järjesti Ruotsissa tehtävät havainnot. Havaintoja tekivät Wargentin Tukholmassa, Gadolin Turussa, talousjohtaja, tuomari Anders Hellant (1717-1789) yksityisobservatoriossaan Torniossa ja Lundin observaattori Nils Schenmark (1720-1788) Härnösandissa. Havaintotöitä varten saatiin hallitukselta varoja instrumenttien täydentämistä ja parantamista varten sekä matkakustannuksiin ja palkkioihin. Kun havainnot koottiin, todettiin ettei Auringon etäisyyttä ollut saatu kyllin tarkasti määrätyksi.

Johannes Keplerin (1571-1630) vuonna 1619 julkaisema 3. laki sitoo toisiinsa planeettojen kiertoajat ja rataellipsien isoakselien puolikkaat. Kun kiertoajat on varsin helppo määrätä, on mitattava yksi planeettojen välinen etäisyys, jotta kaikki etäisyydet aurinkokunnassa tunnettaisiin.

Vuonna 1672 sattuneen Marsin opposition aikana ranskalaiset yrittivät mitata Maan ja Marsin etäisyyden käyttämällä mittauksen kantana Pariisin ja Etelä-Amerikan Cayennen välimatkaa. Tulos oli suuruusluokaltaan oikea.

Periaatteessa tarkemman keinon tarjoaa Maan radan sisäpuolella kulkevan planeetan ns. ohikulun havaitseminen. Kun sisäplaneetta kulkee Auringon editse ja havaitaan maapallon sijainniltaan tunnetuista eri paikoista kontaktihetket, jolloin planeetta näyttää koskettavan Auringon reunaa sisä- tai ulkopuolisesti, syntyy avaruuteen kolmioita, joista Maan ja sisäplaneetan sekä siten Maan ja Auringon välinen etäisyys saadaan määrätyksi.

Venuksen ohikulut olivat sattuneet edellisen kerran 1631 ja 1639. Vuosien 1761 ja 1769 ohikulut tarjosivat nyt tilaisuuden tähtitieteellisen perusmitan määräykseen ja niihin kohdistettiin suuria odotuksia.

Wargentin järjesti jälleen havainnot Ruotsissa. Gadolin oli tiedeakatemian presidentti vuonna 1761 ja myötävaikutti järjestelyihin. Vuonna 1761 tehtiin havaintoja Ruotsissa yhdeksällä, 1769 kuudella paikkakunnalla.

Justander havaitsi molempia ilmiöitä Turussa. Vuonna 1769 oli mukana myös Gadolin. Ruotsin tiedeakatemian toimeksiannosta Planman matkusti kummankin vuoden havaintoja varten Kajaaniin. Pituusasteen hän määräsi auringonpimennyksen ja Jupiterin kuiden avulla.

Turussa oli käytettävissä 20 jalan teleskooppi. Kajaanissa Planman käytti kummallakin kerralla 21 jalan pituista kaukoputkea. Lisäksi hänellä oli heilurikello, kaksi kulmanmittauskonetta ja kaksi pienempää kaukoputkea, joista toisessa oli akromaattiobjektiivi.

Planmanin onnistui havaita kaikki neljä kontaktia vuonna 1761. Vuonna 1769 sää salli vain kahden kontaktin havaitsemisen. Lisäksi kytösavut häiritsivät havaintoja.

Planman kokosi Ruotsin havainnot. Hän määräsi vuoden 1761 havainnoista Auringon parallaksin ja julkaisi tiedeakatemian sarjassa alustavat arvot 8,2 ja 8,25 kaarisekuntia [3,4]. Vuoden 1769 ohikulun havainnoista Planman julkaisi tutkimukset vuosina 1771 ja 1772. Hän sai nyt arvon 8,2 kaarisekuntia [5,6]. Toivottua tarkkuutta Venuksen ohikulut eivät kuitenkaan antaneet, sillä Venuksen ilmakehä taittaa Auringon valoa niin, että kontaktin hetkiä ei voi kyllin täsmällisesti havaita.

Taivaanmekaniikka ja Lexell

Turun akatemiassa julkaistiin 1700-luvun jälkipuoliskolla tähtitieteellisiä väitöskirjoja eli disputaatioita sekä matematiikan että fysiikan professorien johdolla. Niiden lukumäärä oli jokseenkin sama kuin puhtaasti matemaattisten tai fysikaalisten väitöskirjojen määrä. Alojen välista eroa on tosin vaikea tehdä. Tähtitieteen väitöskirjat keskittyivät havaitsevan ja käytännöllisen tähtitieteen kysymyksiin. Disputaatiot käsittelivät mm. paikan- ja ajanmääräystä, instrumentteja, havaintojen redusointia, pallotähtitiedettä, planeettojen ratoja ja planeettojen massoja.

Vaikka 1700-luvun puolivälin tienoilla Clairautin, J. d' Alembertin (1717-1783), L. Eulerin (1707-1783) ja nimenomaan J. L. de Lagrangen (1736-1813) ja P. S. de Laplacen (1749-1827) ansiosta taivaanmekaniikka häiriöteorioineen oli kehittynyt pitkälle, Turun akatemiassa ei näitä asioita käsitelty.

[kuva s. 23]

Anders Johan Lexellin (1740-1780) silhuetti. (Helsingin yliopiston kirjasto)

Akatemiassa kasvoi kuitenkin tutkija, joka kohosi juuri tällä alalla tieteen eturintamaan. Anders Johan Lexell syntyi Turussa 1740. Hän osoitti opiskellessaan poikkeuksellista lahjakkuutta. Vuonna 1763 Lexell nimitettiin Akatemian matematiikan dosentiksi. Valtakunnan tieteelliset olot eivät kuitenkaan ilmeisesti tarjonneet kyvykkäälle nuorelle kylliksi kosketusta tutkimuksen eturintamaan. Vuonna 1766 Leonhard Euler tuli toistamiseen Pietarin keisarilliseen tiedeakatemiaan. Lexell lähetti hänelle vuonna 1768 uutta integrointimenetelmää koskevan työnsä julkaistavaksi ja haki samalla virkaa Pietarin akatemiasta. Hänet nimitettiinkin Pietarin akatemian apulaiseksi 1768 [7].

Vuonna 1771 Lexellistä tuli Pietarin tiedeakatemian varsinainen tähtitieteilijäjäsen ja Eulerin kuoleman jälkeen vuonna 1783 hänet kutsuttiin tämän seuraajaksi.

Kun Turun matematiikan professori Wallenius kuoli, Lexell haki ja nimitettiin 1775 hänen seuraajakseen. Lexell anoi ja sai kolmasti virkavapautta saattaakseen työnsä Pietarissa päätökseen. Viimein hän 1780 pyysi eron Turun virasta, jota hän ei ollut lainkaan hoitanut.

Lexell oli merkittävä matemaatikko joka käsitteli differentiaali- ja integraalilaskennan geometrisia sovellutuksia, differentiaaliyhtälöiden teoriaa ja geometriaa. Tähtitieteessä hän työskenteli sekä havaitsevan tähtitieteen että taivaanmekaniikan parissa. Hänen matemaattiset ja taivaanmekaaniset tutkimuksensa tekivät hänestä erään 1700-luvun merkittävimmistä suomalaisista tiedemiehistä.

Vuonna 1777 Lexell julkaisi sittemmin hänen nimeään kantavan komeetan rataa koskevan tutkimuksen [8]. Vuonna 1770 oli löydetty pyrstötähti, joka tunnetuista komeetoista on käynyt lähimpänä Maata. Sen kiertoaika oli 5,5 vuotta. Lexell osoitti että komeetta oli käynyt vuonna 1767 Jupiterin lähellä ja että planeetta oli vetovoimallaan siirtänyt pyrstötähden suppealle radalle. Samassa työssä Lexell osoitti että vuonna 1779 komeetta joutuisi jälleen Jupiterin lähelle ja silloin planeetta vetovoimallaan sinkoaisi sen pois aurinkokunnasta. Näin todella tapahtui. Se herätti suurta huomiota, lisäsi uskoa Newtonin mekaniikkaan ja edisti valistusajalle luonteenomaisen mekanistisen maailmankatsomuksen leviämistä.

Vuonna 1781 saksalais-englantilainen William Herschel (1738-1822) löysi Uranus-planeetan. Lexell tutki Uranuksesta maaliskuusta 1781 seuraavan vuoden helmikuuhun tehtyjä havaintoja ja sovitti niihin erilaisia ratoja. Hän totesi että paraabelirata ei sovi havaintoihin, vaan että rata on lähes ympyrä. Hän kirjoitti Pietarista huhtikuussa 1782 asiasta Daniel Bernoulli1le (1700-1782), joka julkaisi kirjeen [9]. Lexell kertoo näyttävän ilmeiseltä että uusi taivaankappale, "Herra Herschelin uusi tähti" on planeetta eikä komeetta. Laplace tuli samoihin aikoihin riippumattomasti samaan tulokseen.

Vuonna 1772 Lexell julkaisi Pietarissa vuoden 1769 Venuksen ohikulusta tekemiinsä havaintoihin perustuvan Auringon parallaksia koskevan tutkimuksen [10). Hänen tuloksensa, 8,68 kaarisekuntia vastasi tarkkuudeltaan tuona aikana samalla menetelmällä muista havainnoista saatuja arvoja.

Lexell kuoli vuonna 1784.

Tähtitieteen asema Ruotsissa 1700-luvun lopussa

Ruotsin tiedeakatemian observatorion aikaansaamisessa ja toiminnan käynnistämisessä P. W. Wargentinilla oli ollut aivan ratkaiseva merkitys. Hän oli hankkinut laitokseen kohtuullisen instrumenttivarustuksenkin.

Wargentinin oma tieteellinen päätyö muodostui Jupiterin neljän kuun liikkeen tutkimisesta. Hän johti tilastollisesti ja empiirisesti sarjat, joiden avulla kuiden paikat antavat taulukot voitiin laskea. Kun Jupiterin kuista yritettiin saada merenkulun paikanmääräykseen soveltuvaa universaalikelloa, työllä oli myös suuri käytännöllinen merkitys. Taivaanmekaniikalle ne tarjosivat vaativan haasteen.

Uppsalan tähtitieteen professorina vuodesta 1761 vuoteen 1788 toiminut Daniel Melanderhjelm (1726-1810) harrasti myös menestyksellisesti taivaanmekaniikkaa. Observatorion havaintomahdollisuudet sen sijaan heikkenivät. Kaluston kunto oli Celsiuksen jälkeen rappeutunut. Ratkaiseva parannus saatiin vasta 1853, kun Uppsalan yliopiston uusi observatorio perustettiin.

Lundin yliopiston tähtitieteen, matematiikan ja fysiikan professorien virat yhdistettiin yhdeksi 1732. Observaattorin virka perustettiin vuonna 1749, mutta instrumenttitilanne oli varsin heikko. Observatorio saatiin vasta 1867. Tähtitieteen professorin virka perustettiin jä1leen 1848.

[kuva s. 25]

Birdin toiminimen valmistama yhden jalan kvadrantti 1700-luvun lopulta on mahdollisesti Lexellin Turun akatemialle hankkima. (M. Poutanen/Observatorio)

Suomessa Gadolin, Justander ja Planman olivat havaintotöissään 1750- ja 1760-luvuilla käyttäneet useita varsin hyviä välineitä. Niistä suurin osa oli saatu käyttöön maanmittauskomission kautta. Kun Justander 1775 kuoli, observaattorin tointa ei enää täytetty, ja ainakin pääosa koneista jouduttiin palauttamaan Tukholmaan maanmittauskonttoriin.

Turussa tähtitieteellinen välineistö kutistui siten lähes olemattomiin ja aiheutti huolestumista, koska havaintoja ei voitu enää tehdä. Planman tiedusteli konsistorilta 1776, voitaisiinko Uppsalan arkkipiispa Mennanderilta (1712-1786) ostaa 300 kuparitaalerilla John Dollondin (1706-1761) valmistama refraktori, koska Akatemialla ei ollut ainoatakaan [11]. Kauppa ilmeisesti tehtiin, sillä vuonna 1783 matematiikan ja fysiikan professorien käyttämien instrumenttien luettelo oli seuraavanlainen:

"1o Akromaattinen putki n. neljä jalkaa pitkä ja kaksi okulaaria.
2o Toinen putki johon kuuluu puolen jalan kvadrantti, joka kuitenkin on yhä Pietarissa professori Lexellin luona se, jonka hän on tilannut ja hankkinut Englannista noin sadalla riikintaalerilla.
3o Ilmapumppu jossa kaksi saapasta ja kaksi recipienttia.
4o Elektrisiteettikone, valmistettu Englannissa ja ostettu 400 kuparitaalerilla." [12].

Ensimmäinen koje on ilmeisesti Mennanderilta ostettu kaukoputki. Toisen tapaus on epävarma. Observatoriossa on nykyisin englantilaisen John Birdin (1709-1776) valmistama kvadrantti, jonka säde on kuitenkin yksi jalka. Ylläolevassa luettelossa voi tietysti olla virhe. Ei ole tiedossa, onko kysymyksessä sama koje. Birdin kvadrantin tulosta observatorioon ei ole löytynyt tietoja. Ainakin vuonna 1816 sillä on tehty havaintoja.

Ruotsin tiedeakatemian ja yliopistojen tähtitieteen instrumenttitilanne oli 1700-luvun viime vuosikymmeninä kaiken kaikkiaan heikko.

Tähtitieteen vaiheita Helsingin yliopistossa - Observatorio 150 vuotta
Helsingin yliopisto, Observatorio 1984 - Elektroninen versio 2001