A Napnak a csillagok között megtett látszólagos évi útja viszonylag könnyen megfigyelhető égbolti jelenség. Bár nem annyira szembeötlő, mint a csillagos ég napi körforgása, már az ókorban is ismerték. De a Napnak az állatövi csillagképek közt megtett útját éppen úgy valóságosként fogadták el, mint az égbolt napi forgását, s belőle a Napnak Föld körüli keringésére következtettek. Ezt a geocentrikus álláspontot megerősítette, hogy szellemes, de hibás mérések alapján (Arisztarkhosz) a Föld–Nap távolságot a valóságosnak nem egészen 5%-ára tették, s ezért a Nap méreteit is messze alábecsülték. Maga Arisztarkhosz ugyan méréseiből a Földnek a Nap körüli keringésére következtetett, de érvei nem voltak elég meggyőzőek. A matematikailag is alátámasztott geocentrikus rendszer a XVI. századig egyeduralkodó maradt.
52. ábra - A parallaxis elve. A csillag F
1-ből C
1-ben, F
2-ből C
2-ben látszik. π a Nap–Föld közepes távolság látószöge a csillagból, vagyis a parallaxis
A parallaxis
A Napot a középpontba helyező kopernikuszi gondolatnak ugyan nagy előnye volt, hogy egyszerűbbé tette „az égbolti matematikát”, de a valószínűség fokáról csak úgy emelkedhetett teljes bizonysággá, ha a Föld keringő mozgására valamilyen fizikai bizonyítékot is talált.
Ezt Kopernikusz is tudta, és zseniálisan mutatott rá, hogy a Föld Nap körüli keringésének tükörképeként a csillagoknak az égbolti háttérhez képest egy év alatt egy kört vagy ellipszist kellene az égre rajzolniuk (52. ábra). Ez azért következik be, mert a mozgó Földről szemlélve az égboltot, a csillagokat mindig más-más irányból figyeljük, s fénypontjaik ennek megfelelően a háttér más-más helyére vetítődnek. Azt is könnyen beláthatjuk, hogy a csillagok által ilyen módon az égboltra rajzolt pályák alakja attól függ, hogy az illető csillagnak mekkora az ekliptikai szélessége. Az ekliptikai pólus közelében levő égitestek kört, a közepes szélességűek ellipszist írnak le, az ekliptika síkja mentén fekvők pedig egy vonal mentén mozdulnak el. Az ábra azt is mutatja, hogy az elmozdulás iránya a Föld keringési irányával ellentétes. Külön magyarázat nélkül is nyilvánvaló, hogy a csillagok elmozdulásának nagysága fordítva arányos távolságukkal.
Maga Kopernikusz is hosszú időn át kereste a csillagoknak ezt az ún. parallaktikus elmozdulását, de nem találta meg. Sikertelenségét helyesen magyarázta: a csillagok olyan hatalmas távolságban vannak, hogy ahhoz képest a Földpálya átmérője csupán egy pontként fogható fel.
Később Kopernikusz ellenfelei és hívei egyaránt folytatták a parallaxis keresését, de az egyre tökéletesedő műszerek ellenére is csak mintegy 300 év múlva sikerült eredményt elérni. Az első sikeres parallaxismérést 1838-ban végezték – egymástól függetlenül – Bessel, Henderson és Struve.
Az 1/2 szögmásodperc körüli értékek érthetővé tették a korábbi sikertelenséget. Még a legközelebbi csillagok parallaktikus elmozdulása sem éri az 1"-et (a Proxima Centauri parallaxisa 0,751"). Az elmondottakból az is nyilvánvaló, hogy a parallaxis felfedezése nemcsak a Föld Nap körüli keringésének világos bizonyítékát adta az emberiségnek, hanem egyúttal egy kiváló távolságmérési módszert is; ennek részletes ismertetésével egy másik fejezet foglalkozik.
53. ábra - Az aberráció jelenségének sematikus rajza. A T1 és T2 pontban helyet foglaló szemlélő a pillanatnyi mozgásiránynak megfelelően (az ábra szerint T1-ben jobbra, T2-ben balra) fordítja el távcsövét, így a csillagot nem ugyanazon a helyen látja. Mivel a mozgás iránya állandóan változik, a csillag látszólagos helye is fokozatosan eltolódik, létrejön az aberrációs idom
Az aberráció
A parallaxis 300 éven át tartó keresése során már több mint 100 évvel a sikeres felfedezés előtt egy egészen más természetű, de a Föld keringését ugyancsak meggyőzően bizonyító jelenség vált ismertté – az aberráció. Felfedezője J. Bradley (1728).
Az aberráció elvi alapja az, hogy egy nyugalomban levő megfigyelő ugyanazon fényforrást más szög alatt (más irányban) látja, mint az, aki mozgásban van. A szögeltérés annál nagyobb, minél sebesebben mozog a megfigyelő.
A jelenség magyarázatához gondoljunk először is egy közönséges, mindenki által ismert földi példára! Ha egy álló vonat ablakain függőleges irányban futnak le az esőcseppek, a vonat indulása után a sebesség növekedésével egyre inkább észrevehetően elferdül az esőcseppek pályája.
A teljes sebességgel haladó jármű ablakában már csaknem vízszintesen szaladnak végig a cseppek. Ennek az az oka, hogy amíg az esőcseppek végiggördülnek az ablakon, a vonat helye jelentősen megváltozik.
Ugyanez a helyzet a csillagok megfigyelésekor is. Ha a Föld mozog, és sebessége a fény sebességéhez képest nem elhanyagolhatóan kicsi, akkor a megfigyelt égbolti objektumokból érkező fénysugár irányának is meg kell változnia. Amíg ugyanis a fény végigfut a távcsövön, addig a Föld helye is megváltozik. Kérdés már most, hogyan lehetne igazolni, hogy távcsöveinket a csillagok észlelésekor valóban elfordítjuk kissé a Föld pillanatnyi mozgásirányába? A bizonyítékot ugyanazon objektum féléves időközzel történő ismételt megfigyelése világosan megadja. A Föld mozgásának iránya
ugyanis a Nap körüli keringés során félévenként ellentétesre változik, ezért a távcső megdöntése is ellenkező lesz (53. ábra), így a csillag pozíciója is megváltozik.
Ezt a változást észlelte Bradley, s mérései szerint a csillagok aberrációs elmozdulása 41" nagyságú. Ez az érték minden csillag esetén azonos, hiszen a jelenség nem az égitestek távolságától, hanem a Föld mozgási sebességétől függ. Úgyannyira, hogy az eltolódás mértékéből a Föld pálya menti sebessége is meghatározható. Az aberrációs elmozdulás egyébként a parallaxishoz hasonlóan az ekliptika pólusaiban levő csillagoknál kör, a többieknél ellipszis alakú. Az ellipszis annál lapultabb, minél kisebb a csillag ekliptikai szélessége (β). Ha a β = 0°, akkor az ellipszis vonallá
„laposodik”. Viszont a parallaxistól eltérően az aberrációs idomok a Föld keringésével megegyező irányban rajzolódnak az égre.
A színképvonalak eltolódása
Ma már az is megfigyelhető jelenség, hogy a Nap körüli keringés miatt a csillagok színképében a színképvonalak éves periódusban eltolódnak. A Föld ugyanis mintegy fél éven át közeledik valamely csillaghoz, s a Doppler-elv értelmében ilyenkor a színképvonalak az ibolya felé csúsznak, majd a távolodás időszakában a vörös irányába. Bár a Föld sebessége csak 10 000-ed része a fény sebességének, s így az eltolódás mértéke kicsi, azért a jelenség pontos mérésekkel mégis észlelhető.
A precesszió
Már az ókorban megállapította Hipparkhosz, hogy az általa megfigyelt csillagok ekliptikai koordináta-rendszerben mért hosszúságainak értéke szabályos eltérést mutat a 150 évvel előtte készült táblázatok adataihoz képest. A görög csillagász ezt a jelenséget az égi pólusnak az ekliptika pólusa körüli mozgásaként értelmezte. Jelenleg pl. az északi pólus a Sarkcsillag közelében van, de 47°-os átmérőjű körív mentén lassan körbevándorol az éggömbön. A mozgás másik megnyilvánulása az ekliptika és az égi egyenlítő metszéspontjainak, nevezetesen az ekvatoriális koordináta-rendszer kezdő pontjának, a tavaszpontnak az elmozdulása. Hipparkhosz idejében (i. e. II. század) a tavaszpont a Kos csillagképben volt, de azóta kb. 30°-kal hátrált, és a Halak csillagképbe lépett. Ez a mozgás a precesszió. A tavaszpont vándorlásának oka mind az Egyenlítő, mind az ekliptika síkjának elmozdulása. E két mozgás okát külön kell vizsgálnunk, mégis mindkettő a Föld alakjára és a tömegvonzásra vezethető vissza.
54. ábra - A Nap vonzásából származó forgatónyomaték
a) A Föld az Egyenlítőnél kidomborodó, a pólusoknál belapuló égitest, és forgástengelye 23,5°-kal eltér az ekliptika pólusának irányától. Az 54. ábra szerint a Nap és a Hold – a hozzánk legközelebb eső két nagy égitest – a Földre forgatónyomatékot (F1 és F2) fejt ki, amely a forgástengelyt a pályasíkra merőlegessé igyekszik tenni. A forgatónyomatékkal szemben a Föld forgó tömegének tehetetlensége áll, amely forgástengelyének irányát megtartani törekszik. E két erő eredőjeként a forgástengely – mint a búgócsiga – az ekliptika pólusának iránya körül egy kúpfelület mentén mozog (55. ábra). Ez a mozgás a luniszoláris precesszió, mert a Hold és a Nap hatásaként jön létre. A luniszoláris precesszió miatt a tavaszpont évente kb.
50"-et vándorol Ny felé az ekliptika mentén, és kb. 26 ezer év (25 729 év) alatt egy teljes körülforgást végez. A forgás iránya az óramutató járásával megegyező, retrográd. A tavaszpont hátrálása következtében az „állócsillagok” egyenlítői koordinátái megváltoznak.
b) A tavaszpont helyzete az ekliptika síkjának mozgása miatt is megváltozik. A Naprendszer többi bolygója nem pontosan a Földpálya síkjában kering. Vonzásuk, zavaró hatásuk következtében a Föld keringési síkja elmozdul az álló csillagokhoz képest, és ezzel együtt mozog természetesen az ekliptika pólusa is. Ez a jelenség a planetáris precesszió. Értéke 0,11" évente, iránya direkt.
55. ábra - A precesszió és a nutáció
A nutáció
A Hold tömegvonzása – a Naptól eltérően – nem egyenletes forgatónyomatékot fejt ki a Föld tömegére és forgástengelyére. A Holdpálya ugyanis a Földpálya síkjával 5°-os szöget zár be. A két sík metszésvonala a Nap gravitációs zavaró hatására 18,6 év alatt körbefordul. E mozgás a Hold Földre gyakorolt forgatónyomatékának periodikus változását is jelenti, amely az égi pólus mozgásában 18,6 éves ritmusos ingadozást okoz. Ez a nutáció, amelynek következtében a Föld tengelye nem egyszerű, hanem hullámvonalakkal tarkított kúpszerű pályát ír le (55. ábra). A precesszió 26 ezer éves periódusán belül 1400 nutációs ritmus van.