Terwijl de ochtendhemel verduisterde boven West-Oregon, trokken de drie alpaca's van Richard Berry zich terug in hun schuur. Het schemerige daglicht en de kleine menigte die zich op Berry Farm had verzameld - groepen buitenlanders met kartonnen zonneglazen en quadcopter-drones - benadrukten de dieren. Ondertussen voerden de maan en de zon een zeldzaam hemels ballet uit boven hun hoofden.
Op 21 augustus 2017 was de eerste totale zonsverduistering die beide kusten van de continentale Verenigde Staten in 99 jaar sierde, aan de gang. Maar Berry, een amateurastronoom en voormalig hoofdredacteur van het tijdschrift Astronomy, en een groep studenten van Portland Community College waren er niet alleen om van het uitzicht te genieten. Ze hadden hun telescopen en camera-apparatuur voorbereid om het beroemdste eclips-experiment aller tijden te herhalen, de eerste succesvolle test van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Bijna honderd jaar voor de Grote Amerikaanse Eclipse, waagden twee teams van astronomen zich naar verre kusten om een eclips te observeren die een sceptische wereld zou overtuigen dat de zwaartekrachttheorieën van Isaac Newton fout waren.
Een gevolg van de theorie van Einstein, voor het eerst gepubliceerd in 1915, is dat massieve hemellichamen, zoals de zon, de structuur van ruimtetijd om zich heen buigen - dat is hoe Einstein de aantrekkingskracht van de zwaartekracht verklaarde. Deze astrofysische theorie is heel anders dan het idee van Newton van de zwaartekracht als een aantrekkelijke kracht die door alle materie wordt uitgeoefend. Volgens Einstein wordt elk licht dat in de buurt van een massief object reist samen met de ruimtetijd gebogen. In het begin van de 20e eeuw bedacht Einstein een manier om deze schijnbaar belachelijke theorie aan te tonen met behulp van een totale zonsverduistering.
Einstein legde de uitdaging als volgt uit: breng de posities van de sterren rondom de zon in beeld, die kostbare momenten waarop het directe licht van de zon volledig wordt geblokkeerd door de maan, zodat de sterren op de achtergrond zichtbaar zijn. En observeer dezelfde sterren als er geen eclips is. Als zijn theorie van algemeen relatief inderdaad juist was, zou er een klein verschil zijn in de posities van die sterren - een verandering onzichtbaar voor het menselijk oog, maar detecteerbaar door fijne metingen.
In 1919 organiseerden Engelse astronomen Arthur Eddington en Frank Dyson expedities naar het eiland Principe voor respectievelijk de westkust van Afrika en naar Sobral, Brazilië, om te zien of Einstein gelijk had. De noodlottige dag was 29 mei. Als ze eenmaal hun resultaten hadden gepubliceerd, zou de wereld nooit meer hetzelfde zijn - of althans ons begrip ervan.
Arthur Eddington (links) en Frank Dyson (rechts). (Publiek domein) In 2017 coördineerde Toby Dittrich, professor natuurkunde aan het Portland Community College, een tiental observerende groepen, waaronder Berry's, die twee van zijn studenten naar de alpaca-boerderij en anderen naar een berg in Oregon stuurden om te zien of ze het minstens zo goed konden doen als Eddington en Dyson.
Beide pogingen hadden te maken met technische uitdagingen en de wispelturigheid van het weer, wetende dat de mogelijkheid om het geheel te observeren, vluchtig zou zijn.
In 1919 hadden astronomen de luxe van meer dan vijf minuten totaliteit. In 2017 duurde de totale eclipsfase slechts ongeveer twee minuten voor Amerikaanse kijkers. Het passeren van wolken of wind kan de waarnemingen op die kostbare momenten verpesten - in feite verpestte bewolking een relativiteitstest tijdens de totale zonsverduistering van 1918 in de VS.
Don Bruns, een amateurastronoom gestationeerd in Casper, Wyoming voor de eclips van 2017 en coördineerde met de inspanningen van Dittrich, werd gedeeltelijk geïnspireerd door vier mislukte pogingen om het Eddington-Dyson-experiment te repliceren tussen 1936 en 1954.
"Door dit te doen, liet ik de astronomen min of meer in vrede rusten", zegt Bruns.
**********
De respectievelijke expertise van Eddington en Dyson maakte hen zeer geschikt voor deze eclipse-achtige taak. Dyson was de Astronomer Royal van Engeland en leidde de Royal Observatory in Greenwich. Eddington regisseerde het Cambridge Observatory, en hij maakte ook een naam voor zichzelf in het rijk van de theorie om te laten zien dat de zon kan bestaan zoals wij die kennen, in plaats van onder zijn eigen gewicht in te storten, omdat het licht zelf een uiterlijke druk uitoefent.
Deze afbeelding toont het flitsspectrum van de chromosfeer van de zon, de tweede naar de bovenste laag van de atmosfeer van de zon, tijdens het geheel van de zonsverduistering van 21 augustus 2017 boven Oregon. Het beeld vangt de eclips op elke golflengte van licht die atomen in de chromosfeer uitzenden. Bijvoorbeeld, waterstofatomen die licht uitzenden op de "waterstof alfa" golflengte produceren een rode lichtkleur rechts, terwijl calciumatomen links paars produceren. (Richard Berry / Alpaca Meadows Observatory) De Principe-inspanning, gestationeerd op een cacaoplan in het noordwesten van het Afrikaanse eiland, werd uitgevoerd door Eddington en Edwin Cottingham. Het duo gebruikte meestal geleende apparatuur van Oxford Observatory, omdat Eddington's eigen Cambridge Observatory niet gespecialiseerd was in eclipsen, volgens Daniel Kennefick's nieuwe boek No Shadow of a Doubt: The Eclipse That 1919 Einstein's Relativity Theory .
Eddington heeft waarschijnlijk alle gegevensanalyses van zijn expeditie persoonlijk gedaan, hoewel er geen gegevens bewaard zijn gebleven die hij tijdens zijn reis heeft gemaakt - zelfs niet de originele fotografische platen, die na verloop van tijd zijn verdwenen. Volgens het verslag uit de eerste hand van de astrofysicus Subrahmanyan Chandrasekhar, vertelde Dyson aan Cottingham dat als Eddington twee keer zoveel doorbuiging waarnam als Einstein had voorspeld - een bizar resultaat dat noch Einstein noch Newtons raamwerk zou verwachten - "Eddington zal gek worden, en je zult alleen thuiskomen. '
Ondertussen verliet Dyson niet echt Engeland voor de gelegenheid. Naar Sobral, Brazilië, stuurde hij twee leden van zijn staf, Charles Davidson en Andrew Crommelin, en wat apparatuur van zijn observatorium. Toen ze terugkwamen, regisseerde Dyson de analyse van de gegevens van het team en werkte ze samen met Eddington aan het eindrapport.
Elk van de 1919-teams moest terugkeren met twee kritieke stukjes gegevens gecodeerd op glazen platen. Ten minste één plaat zou tijdens de totaliteit worden genomen, terwijl de andere 's nachts werd gemaakt met dezelfde sterren aan de hemel, maar geen zon en maan op de voorgrond. Zelfs als dit goed zou worden gedaan, zou de persoon die de platen analyseert een echte uitdaging hebben.
"De sterren zagen er natuurlijk uit als kleine cirkels op de platen, " zegt Kennefick. “Het blijkt dat de verandering in de positie eigenlijk kleiner is dan de grootte van de cirkel. Het is dus een heel, heel fijne meting om te doen. Het is een heel moeilijke meting om te doen. "
Gelukkig verdiende Dyson zijn brood met dit soort observaties. Zijn normale werk omvatte zorgvuldige studies van stellaire posities en het onderzoeken van kleine veranderingen. Hij gebruikte een klein apparaat, een micrometerschroef, die van het ene punt naar het volgende over de plaat bewoog en de afstand tussen objecten meet.
Ze hadden geluk op de dag van de zonsverduistering van 1919 omdat de zon in de buurt was van een zeer heldere sterrenhoop genaamd de Hyades, die Eddington noemde 'verreweg het beste starfield dat je tegenkwam'. Hun helderheid zou het gemakkelijker maken om ze op een telescoopplaat te zien dan zwakkere sterren, die verloren kunnen gaan in de schittering van het buitenste gedeelte van de atmosfeer van de zon, de corona genoemd. (Dit oververhitte plasma is alleen zichtbaar voor het blote oog tijdens een totale zonsverduistering, wanneer het lijkt te flikkeren rond de uitgeweekte zon.)
Een kopieplaat van de Dyson-expeditieplaat uit 1919, met markeringen, vermoedelijk gemaakt door de groep van Dyson. (Niels Bohr Institute, Universiteit van Kopenhagen) Hoewel het tweeledige experiment succesvol bleek, beide in de buurt van Einstein's voorspelling voor de hoeveelheid doorbuiging, was het niet zonder controverse. Een van de twee telescopen in de Sobral-expeditie produceerde dubieus ogende platen, met sterren die meer op vlekken dan op cirkels leken. Dyson lijkt de oproep te hebben gedaan om de gegevens weg te gooien, en sommige historici vragen zich af of de Eddington-Dyson-groep zo hoopvol was om Einstein gelijk te geven dat ze ten onrechte gegevens weggooiden die het niet eens waren.
Maar Kennefick zegt dat het onwaarschijnlijk is dat Dyson de resultaten fudde. Eddington was de wetenschapper die vocaal Einsteins voorspellingen ondersteunde voordat het experiment plaatsvond, en hij had niets te maken met het gooien van Sobral-platen.
"Het is zeldzaam om volledig neutraal te zijn in de wetenschap of het leven, " schrijft Kennefick. "Eddington straffen omdat hij eerlijk is in het uiten van zijn voorkeuren, vraagt alleen maar dat wetenschappers hun opvattingen oneerlijk onderdrukken."
**********
Einstein leek zich niet al te veel zorgen te maken dat zijn toenmalige niche-theorie eindelijk op de proef zou worden gesteld. Sommigen hebben zelfs gesuggereerd dat hij zelfvoldaan was over de hele beproeving, zo zeker van zijn theorie dat hij niet het minste zenuwachtig was over wat de expedities van 1919 zouden vinden.
"Beroemde wetenschappers zeiden tegen hem:" Ik kan niet echt geloven hoe kalm je hierover was ", zegt Kennefick. "Ze waren als:" Oh mijn God, dit is ongelooflijk. " En hij zei: 'Ja, ik wist het.'
Foto van Albert Einstein uit 1921. (Universal History Archive / UIG via Getty Images) Maar ondanks Einsteins gebrek aan twijfel, wilde hij het experiment uitvoeren. Al in 1911 had hij andere astronomen geschreven met de vraag of ze dit soort eclips-experiment konden doen, en hij zamelde actief geld in voor de oorzaak. Hij financierde de expeditie van de Duitse astronoom Erwin Freundlich naar de Krim in 1914 om de eclipsobservaties te doen die Eddington uiteindelijk zou doen, maar de reis van Freundlich leed een noodlot. Aartshertog Franz Ferdinand werd vermoord terwijl Freundlich Rusland doorkruiste, de Eerste Wereldoorlog uitbrak en de astronoom werd gearresteerd door de mannen van de tsaar, zijn uitrusting in beslag genomen.
**********
De natuurkundige en filosoof Ilse Rosenthal-Schneider was naar verluidt bij Einstein net nadat hij in september 1919 een telegram ontving met het nieuws dat het experiment met Eddington-Dyson zijn voorspellingen bevestigde. Ze schreef dat Einstein gelukkig leek maar niet extatisch, en zijn gebrek aan enthousiasme verraste haar.
'Dus ze zei:' Wel, wat zou je hebben gezegd als de theorie tegen je had gevonden? Zou je in dat geval teleurgesteld zijn geweest? ', Zegt Kennefick. "En [Einstein] glimlachte en zei: 'Nou dan zou ik medelijden hebben gehad met de lieve heer, want de theorie is correct.'"
De resultaten werden formeel gepresenteerd op de Royal Society-bijeenkomst in Londen op 6 november 1919, waardoor Einstein wereldfaam werd. Volgens het verslag van de wiskundige Alfred North Whitehead: “De hele sfeer van gespannen belangstelling was precies die van het Griekse drama: we waren het koor dat commentaar gaf op het besluit van bestemming zoals onthuld in de ontwikkeling van een allerhoogste incident. De enscenering was dramatisch - de traditionele ceremonie en op de achtergrond het beeld van Newton om ons eraan te herinneren dat de grootste ceremoniële generalisatie nu, na meer dan twee eeuwen, zijn eerste aanpassing zou ontvangen. '
Deze weergave, gemaakt van 23 afzonderlijke gestapelde afbeeldingen, toont 42 sterren, geel omcirkeld, tijdens de totaliteit. Het gezicht van de maan is zichtbaar vanwege 'aardse zonneschijn' - het licht van de zon dat door de aarde wordt weerkaatst - en dan van de maan terugkaatst. De grote ringen tonen de corona die op verschillende belichtingstijden is vastgelegd. (Richard Berry / Alpaca Meadows Observatory) Er was echter nog een zonsverduistering in 1922, waardoor anderen de kans kregen de resultaten van Eddington en Dyson te bevestigen. Maar natuurlijk, in 1919 raakten astronomen enthousiast. Ze waren gelukkig. Ze waren energiek. Maar ze waardeerden [ze konden] het in drie jaar controleren, ”zegt Kennefick. "Het heeft geen zin om de champagne drie jaar op ijs te zetten."
Voor die eclips van 1922 deed een groep van het Lick Observatory in Californië een vervolgexperiment en behaalde resultaten die nauw overeenkwamen met Eddington en Dyson, maar toen was Einstein al goed gevierd. (Dyson probeerde ook het experiment te herhalen, maar zijn visie was vertroebeld.)
**********
Sinds 1973 zijn er geen professionele inspanningen meer gedaan om het Eddington-Dyson-experiment te repliceren, omdat eclipsen niet langer nodig zijn voor het meten van de lichtafbuiging van de zon die Einstein voorspelde. Radiotelescopen, bijvoorbeeld, lieten wetenschappers in de jaren zeventig toe om de zon het licht te buigen van quasars - superheldere galactische kernen, elk bestaande uit een gigantisch zwart gat omringd door een schijf die enorme hoeveelheden energie uitzendt - overdag zonder de hulp van een eclips.
De meeste dozijn amateurgroepen die Dittrich in 2017 coördineerde om de vroege 20e-eeuwse versie van het eclips-experiment te herhalen, leerden hoeveel manieren een enkele reeks van een experiment kan doorstaan. Op tien van de locaties hadden deelnemers problemen met hun apparatuur, zoals stroomvoorziening en overbelichting, of atmosferische turbulentie, en kregen ze geen bruikbare gegevens. Een groep schopte per ongeluk op een kritiek moment tegen het statief van de telescoop. Deze blunders onderstrepen hoe gelukkig beide expedities in 1919 überhaupt bruikbare sterren hebben veroverd.
Berry en de studenten van het Portland Community College die met hem werkten, waren een van de twee succesvolle groepen in de samenwerking met 12 locaties. En toen was er Don Bruns, die amateurastronoom klaar voor actie in Casper, Wyoming. Hij was zich al meer dan een jaar aan het voorbereiden op zijn observaties en hij had steeds opnieuw geoefend voor die cruciale minuten van totaliteit. Hij was "spectaculair succesvol" met zijn observaties, zegt Dittrich.
Amateurastronomen bereiden zich voor op de totale zonsverduistering van 2017. Van links naar rechts: Abraham Salazar (student), Jacob Sharkansky (student), Richard Berry (amateurastronoom), Steve Pinkston (student) en Toby Dittrich (professor). (Met dank aan Richard Berry) Gegevens van Eddington's Principe-expeditie vertaald in een lichtafbuiging van 1, 6 arseconden - een hoekmeting van de afstand aan de hemel - terwijl platen van de bemanning van Dyson in Sobral suggereerden 1, 98 boogseconden en een onzekerheidsmarge van ongeveer 30 procent. In 2017 nam Bruns, een gepensioneerde optisch fysicus, foto's die zich vertaalden in precies het aantal dat Einstein zou voorspellen - een afbuiging van 1, 7512 arsecseconden - met een onzekerheid, gerelateerd aan atmosferische turbulentie, van slechts 3 procent.
Voor zijn werk aan deze onderneming won Bruns de Chambliss Amateur Achievement Award van de American Astronomical Society. Hij resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Classical and Quantum Gravity.
Berry, Bruns en Dittrich kijken al uit naar 2024, de volgende keer dat een totale zonsverduistering de magie van totaliteit naar de Verenigde Staten zal brengen, diagonaal van Texas naar Maine. Dittrich zegt dat de groep een grotere inspanning wil plannen om het experiment te herhalen, met mogelijk nog nauwkeurigere resultaten dan Bruns in 2017 als ze onzekerheid door luchtturbulentie kunnen verminderen.
Terugkijkend op het experiment van Eddington-Dyson, is Berry nog steeds onder de indruk van de betekenis van wat de teams 100 jaar geleden deden.
“Het was een experiment dat moest worden gedaan, en het maakte echt, echt een verschil. Als je gewoon de ontwikkeling van de relativiteitstheorie volgt en vervolgens de kwantummechanica en de dingen die daarop volgden, "zei Berry, " is onze moderne wereld volledig afhankelijk van wat er is gebeurd. "
