Tähtitieteen vaiheita Helsingin yliopistossa - Observatorio 150 vuotta

ETUSIVU
SISÄLLYS
VIITTEET
LÄHTEET
SANASTO

Hugo Gyldén ja taivaanmekaniikan kukoistuskausi

Lexellin jälkeen ei Suomessa ollut kovin merkittävää taivaanmekaniikan tutkimusta. Vasta Johan August Hugo Gyldénin (1841-1896) tutkimukset suuntautuivat tälle tähtitieteen alalle. Vaikka Hugo Gyldén suorittikin pääosan elämäntyöstään ulkomailla, hän vaikutti maamme tähtitieteen kehitykseen. Siksi on paikallaan tarkastella tässä hänen toimintaansa.

Gyldén sai opinnoissaan hyvin vähän ohjausta. Häntä voi kirjaimellisesti pitää itseoppineena. Hugo Gyldén ei käynyt lainkaan koulua, vaan hän sai opetusta isältään, kreikan kielen ja kirjallisuuden professori Nils Abraham Gyldéniltä. Opetus oli kuitenkin epäsäännöllistä, joten nuori Hugo joutui suureksi osaksi hankkimaan tiedot omin päin. Jo ennen ylioppilastutkintoaan hän kiinnostui luonnontieteistä [1]. Kaikesta huolimatta Gyldén suoritti ylioppilastutkinnon 16-vuotiaana erinomaisin arvosanoin ja filosofian kandidaatin tutkinnon pää aineenaan matematiikka ja tähtitiede ennen kuin täytti 19 vuotta.

[kuva s. 93]

Johan August Hugo Gyldén (1841-1896) väitteli Helsingin yliopistossa 1861 tohtoriksi, oli tähtitieteilijänä Pulkovan keskusobservatoriossa 1863-1871 ja oli Tukholman observatorion johtajana 1871-1896.

Vuonna 1861 Gyldén lähti opintomatkalle Saksaan. Siellä hän työskenteli pääasiassa Gothassa. Gothan observatorion johtajana oli tuohon aikaan eräs aikansa merkittävimmistä taivaanmekaniikan tutkijoista Peter Andreas Hansen (1795-1874). Gothassa Gyldén julkaisi kaksi tutkimusta taivaanmekaniikasta. Ensimmäinen, vuodelta 1861 "Beräkning af en theori för planeten Neptunus" [2] oli tarkoitettu väitöskirjaksi ja käsitteli viisitoista vuotta aikaisemmin löydetyn Neptunuksen rataa Hansenin kehittämän menetelmän mukaan laskettuna.

Toinen, seuraavana vuonna ilmestynyt tutkimus "Framställning af formler för beräkningen af en parabolisk kometbana med tillgrund läggande af koordinater, hänförda till equation jemte tillämpning af dessa formler pä beräkningen af elementerna för kometen VIII 1858" [3] oli tarkoitettu puolestaan dosentuuria varten. Molemmat hyväksyttiin tarkoitukseensa, vaikkakin niissä olleita puutteita kritisoitiin.

Kun Gyldén oli Gothassa, tuli tähtitieteen professuuri Helsingissä avoimeksi. Tointa haki Adalbert Krueger. Lähes kaksi kuukautta myöhästyneenä saapui nuoren Gyldénin hakemus, eikä konsistori voinut ottaa sitä huomioon [4]. Syksyllä 1862 Gyldén palasi Helsinkiin ja nimitettiin tähtitieteen dosentiksi. Opetusta hän ei kuitenkaan ehtinyt antaa, sillä hän sai Yliopistolta apurahan ja matkusti sen turvin Pulkovaan jatkamaan opintojaan. Vuoden 1863 joulukuussa hänet nimitettiin Pulkovan observatorion apulaisastronomiksi ja vuonna 1865 vanhemmaksi astronomiksi. Gyldén oli tällöin 23-vuotias. Jo vuoden 1864 lopussa hän sai pyynnöstään eron Helsingin dosentuuristaan, missä ei koskaan ollut opetusta antanut.

[kuva s. 94]

Ertelin vertikaaliympyrä, jolla Gyldén havaitsi Pulkovan observatoriossa 1864-1871. (W. Struve 1845, planches)

Pulkovassa Gyldén teki havaintoja Ertelin vertikaaliympyrällä vuosina 1864-1871 [5]. Hän sai käsiteltäväkseen myös C. A. F. Petersin (1806-1880) vuosina 1842-1849 tekemät havainnot. Havaintoja redusoidessaan Gyldén joutui paneutumaan mm. ilmakehän aiheuttamaan tähden näennäisen paikan muutokseen eli refraktioon. Hän teki uuden matemaattisen teorian refraktiosta ja laati tämän perusteella refraktiotaulut, joita käytettiin vuosikymmeniä [6]. Työllään Gyldén saavutti huomiota tähtitieteilijäpiireissä. Lisäksi hän paneutui taivaanmekaniikkaan, joka tuli olemaan hänen myöhemmän tutkimuksensa pääkohde.

Lexellin ajoista taivaanmekaniikka ja matematiikka olivat kehittyneet voimakkaasti. Useat kahdeksannentoista ja yhdeksännentoista vuosisadan johtavat matemaatikot kehittivät laskentamenetelmiä juuri taivaanmekaniikan tarpeisiin.

Newtonilainen taivaanmekaniikka oli kulkenut voitosta voittoon. Jo 19. vuosisadan alussa Gauss oli kehittänyt yleisen menetelmän taivaankappaleiden ratojen määräämiseksi kolmen havainnon perusteella. Kun Gyldén oli viisivuotias, oli taivaanmekaniikka saavuttanut erään suurimmista voitoistaan: Neptunus oli löydetty Uranuksen liikkeessä havaittujen häiriöiden perusteella laskemalla.

Häiriöteorioita kehitettiin planeettojen ratojen laskemiseksi entistä tarkemmin. Vakavana haittana oli kuitenkin laskujen monimutkaisuus. Kynällä, paperilla ja logaritmitauluiIla varustautuneelta taitavaltakin laskijalta kului melkoinen tovi yksinkertaiseenkin radanmääräykseen. Oli siis tarpeen yrittää kehittää yksinkertaisempia käytännön menetelmiä.

Toinen tärkeä kysymys oli aurinkokunnan stabiilisuus, eli olivatko planeetat pysyvillä radoilla. Periaatteessa kyseessä on monen kappaleen ongelma, jossa kappaleiden radat täytyy laskea miljoonien vuosien pituisille ajanjaksoille. Ongelmana oli mm. selvittä, kuinka hyvin häiriöteoriat vastasivat todellisuutta ja kuinka pitkällä aikavälillä käytetyt menetelmät pätivät. Aurinkokunnan stabiilisuuden todistaminen analyyttisin menetelmin oli siis jo periaatteessa erittäin vaikea tehtävä.

Eräs Gyldénin saavutuksista oli elliptisten funktioiden käyttöönotto häiriöteoriassa. Gyldén halusi lyhentää Hansenin menetelmässä käytettyjä laskuja niin, että ne voitaisiin käytännössä helpommin suorittaa. Koska elliptisiä funktioita ei aiemmin ollut käytetty tähtitieteessä, täytyi Gyldénin ensin kehittää tarkoitukseen soveltuvia kaavoja. Näillä tutkimuksillaan hän saavutti huomiota myös matemaatikkopiireissä. Myöhemmin Gyldén julkaisi joukon laskutoimituksiin parhaiten soveltuvia kaavoja ja aputaulukoita.

[kuva s. 95]

Gyldénin tullessa Tukholman observatorion johtajaksi 1871, se oli tuskin muuta kuin esimiehen asunto. Havaintolaitteina siellä oli meridiaanikone ja pieni ohikulkukone, eikä observatoriossa ollut lainkaan kääntyvää tornia. Valtiopäivien ja tiedeakatemian myönnettyä 66 000 kruunua, observatorion katolle rakennettiin pyörivä torni, joka valmistui 1877. Siihen sijoitettiin 7 tuuman refraktori. (Nordenmark 1926, s. 111-112, valok. sikarilaatikon kannesta 1890-luvun alusta. Vertaa kuvaan tämän kirjan s. 30)

Vuonna 1871 Gyldén muutti Tukholmaan, Tiedeakatemian observatorion johtajaksi, missä virassa hän toimikin kuolemaansa saakka Tukholmassa Gyldén jatkoi häiriöteorian tutkimuksiaan. Hän totesi, että siihenastisissa häiriöteorioissa ei häiriöitä tunnettu riittävän pitkälle aikavälille.

Perinteisessä häiriöteoriassa lähtökohtana on ellipsi, jota deformoidaan pienillä häiriöillä. Tavallisesti ne esitetään sarjakehitelminä, joihin otetaan mukaan yksi tai useampia termejä. Käytännössä laskut tulevat lähes ylivoimaisen vaikeiksi jo toisen asteen termeillä. Niinpä pitkien aikavälien yli integroitaessa saattoi häiriön vaikutus tulla täysin väärin otetuksi huomioon.

Gyldén luopui ellipsistä lähtökohtana ja valitsi toisen käyrän viivan, jota hän nimitti intermediaariseksi radaksi. Tämä saatiin siten, että jo alkutilanteessa otettiin huomioon sopiva määrä muiden planeettojen aiheuttamia häiriöitä. Tulokset hän julkaisi useissa artikkeleissa vuosina 1881-1882.

Jatkaessaan tutkimuksiaan Gyldén huomasi, että intermediaarinen ratakaan ei ollut tarpeeksi tarkka lähtökohta. Siksi hän koetti löytää vielä yleisemmän radan, jota hän nimitti absoluuttiradaksi. Tämän tuli olla sellainen, että todellisen radan poikkeama minä ajan hetkenä tahansa oli hyvin pieni. Absoluuttiradan löytäminen olikin Gyldénin tärkeimpänä päämääränä hänen elämänsä loppuaikoina [7]. Jotkut Gyldénin tulokset on myöhemmin todettu virheellisiksi, eikä hän yrityksistään huolimatta onnistunut osoittamaan absoluuttiratojen olemassaoloa.

Vuonna 1879 tarjottiin Helsingissä vapautunutta tähtitieteen professuuria Gyldénille, mutta hän kieltäytyi, koska ei halunnut keskeyttää Tukholmassa aloittamiaan havaintoja. Hän vastasi kieltävästi myös Göttingenistä ja Gothasta tehtyihin tarjouksiin.

Gyldén vaikutti maamme tähtitieteeseen monin tavoin. Mm. Anders Donner harjoitti jatko-opintojaan Tukholmassa ja hänen 140-sivuinen väitöskirjansa "Eine Methode der Anwendung der Gyldénschen Störungstheorie zur Berechnung der absoluten Störungen der kleinen Planeten" vuodelta 1882 käsittelee Gyldénin häiriöteoriaa.

Taivaanmekaniikan lisäksi Gyldén julkaisi tutkimuksia monilta muiltakin aloilta, mm. Maan pyörimisestä, muuttuvien tähtien valonvaihteluista, sekä tähtien etäisyyksistä ja liikkeistä. Kaikkiaan hänen tieteellinen toimintansa käsittää noin 250 julkaisua [8]. Hän oli myös Pariisin, Berliinin ja Pietarin tiedeakatemioiden kunnia- tai kirjeenvaihtajajäsen ja Astronomische Gesellschaftin hallituksen jäsen, varapuheenjohtaja ja vuodesta 1889 sen puheenjohtaja.

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