Die strahlend helle Venus, die wir auch als Abend- oder Morgenstern kennen, übt seit jeher eine besondere Faszination auf die Menschen aus. Einst in verschiedenen Mythologien vergöttert, wurde unser Nachbarplanet im Laufe der Zeit zu einem heiß begehrten Forschungsobjekt. Der Blick in die Historie zeigt, wie die Transitereignisse es den Forschern erlaubten, in neue Dimensionen des Weltalls vorzustoßen. Während die Astronomen im 18. und 19. Jahrhundert den Venusdurchgang dafür nutzten, die Ausmaße des Sonnensystems zu bestimmen, ziehen sie heutzutage aus dem Ereignis sogar Schlüsse für die Suche nach extrasolaren Planeten.

Allerdings ereignen sich Venusdurchgänge relativ selten, aber wenn, dann gleich im Doppelpack. Zum einen liegt dies an der räumlichen Orientierung von Erd- und Venusbahn, deren Bahnebenen um 3,4 Grad zueinander geneigt sind. Zum anderen sind die Bahnperioden der beiden Planeten verschieden lang. Während die Erde die Sonne einmal in rund 365 Tagen umrundet, braucht die Venus dafür nur etwa 224 Tage. Daher überholt der innere Planet die Erde alle 583 Tage – er läuft in unterer Konjunktion zwischen Erde und Sonne hindurch. In den meisten Fällen zieht die Venus von der Erde aus gesehen dabei nördlich oder südlich an der Sonne vorbei. Wenn sich die untere Konjunktion aber auf der Schnittgeraden der beiden Bahnebenen (der Knotenlinie) oder ein wenig daneben ereignet, durchquert die Venus die Sichtlinie zu unserem Zentralstern und wir können einen Durchgang beobachten.

Venustransit
© NASA
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernVenustransit
Das schwarze Venusscheibchen wird 2012 – ähnlich wie 2004 – mit einem Winkeldurchmesser von rund einer Bogenminute vor der Sonne sichtbar sein. Dabei wird es etwa 0,1 Prozent der scheinbaren Sonnenfläche bedecken.
Stets in den Tagen um den 7. Juni und den 8. Dezember durchschreitet die Erde die Knotenlinie der Venus, im Sommer den absteigenden und im Winter den aufsteigenden Knoten im Blick. An diesen Daten ereignen sich Venusdurchgänge jeweils paarweise im Abstand von acht Jahren – einer Periode, die auch ungefähr dem Fünffachen der Zeitspanne zwischen zwei unteren Konjunktionen entspricht. Dabei ist die Abweichung zwischen acht Erdenjahren (2922,0 Tage) und zwei unteren Konjunktionen (2919,6 Tage) gerade so gering, dass zwei Transits in Folge sichtbar sind. Nach weiteren acht Jahren steht die Erde mit mehr als 1,6 Tagen aber zu weit von der Knotenlinie entfernt, als dass die Venus während der unteren Konjunktion noch unsere Sichtlinie zur Sonne durchkreuzen würde. Der nächste Venusdurchgang ereignet sich dann erst wieder nach 121,5 beziehungsweise 105,5 Jahren, wenn die Erde sich im gegenüberliegenden Knotenpunkt befindet.

Planeten auf bekannten Bahnen

Das Wissen um die Planetenbewegungen, welches für die Vorhersage derartiger Himmelsereignisse notwendig ist, reicht in unserer abendländischen Kultur rund 400 Jahre zurück. Damals wurde Johannes Kepler (1571–1630) Assistent des Hofastronomen Tycho Brahe (1546–1601) in Prag. Er studierte die Planetenpositionen, die Brahe über mehr als 20 Jahre hinweg verfolgt und gewissenhaft aufgezeichnet hatte. Wenngleich noch ohne Fernrohr als Hilfsmittel durchgeführt, waren seine Beobachtungen äußerst exakt. Kepler gelang es, daraus die mathematischen Gesetzmäßigkeiten der Planetenbahnen, die drei keplerschen Gesetze, abzuleiten – in der damaligen Zeit ein Geniestreich. Nach Brahes Tod im Jahre 1601 führte Kepler die Beobachtungen als dessen Nachfolger fort und berechnete die Himmelspositionen der Planeten voraus. Das daraus entstandene Tabellenwerk ging als Rudolfinische Tafeln, benannt nach Kaiser Rudolf II., Keplers Dienstherrn, in die Geschichte der Astronomie ein. Für über 100 Jahre sollte es Astronomen als zuverlässigste Referenz dienen.

Auf dieser Grundlage ließen sich auch selten auftretende und zuvor nicht beobachtete oder bedachte astronomische Ereignisse vorhersagen. So erschloss sich Kepler der Venusdurchgang im Jahre 1631. Jedoch war es ihm nicht mehr vergönnt, diesen noch zu erleben. Von Deutschland aus war dieser Transit nicht zu sehen, denn er ereignete sich zu dort nachtschlafender Zeit. Und unter den übrigen Astronomen hatte sich die Kunde wohl nicht weit genug herumgesprochen, so dass dieser Transit unbeobachtet blieb.

"Venus in sole visa"

Indessen studierte der junge englische Geistliche und Astronom Jeremiah Horrocks (1619–1641) die Rudolfinischen Tafeln. Im Herbst 1639 fand er heraus, dass, bei aller Seltenheit dieser Konstellation, schon bald ein weiterer Transit eintreten würde, noch am 4. Dezember desselben Jahres. Er beobachtete die an der Sonne vorüberziehende Venus von seinem Heimatort, dem nordenglischen Much Hoole, aus. Vor allem stand ihm dafür auch erstmals ein Fernrohr zur Verfügung. Seine Manuskripte »Venus in sole visa«, die teilweise später von Johannes Hevelius (1611–1687) veröffentlicht wurden, sind die einzige schriftlich überlieferte Quelle dieses ersten beobachteten Durchgangs.

Venustransit 1761
© public domain
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernVenustransit 1761

Horrocks Freund und Kollege William Crabtree verfolgte das Ereignis ebenfalls, und zwar vom südlicheren Manchester aus, was ihm auf Grund des unbeständigen Wetters aber nur teilweise gelang. Zu einem ausführlichen Austausch mit Horrocks über die Beobachtungen kam es jedoch nicht mehr, da dieser kurz vor dem dazu vereinbarten Treffen verstarb. Weitere Beobachtungsaktivitäten zu diesem Transit sind nicht überliefert. Insgesamt also eine recht magere Ausbeute.

Das nächste Transitpaar in den Jahren 1761 und 1769 sollte weitaus mehr Aufmerksamkeit erlangen. Rund 50 Jahre nach dem vorherigen Durchgang erkannte der britische königliche Astronom Edmond Halley (1656–1742) die Bedeutung der Durchgangsbeobachtungen für die Entfernungsbestimmung im Sonnensystem. Denn die Abstände der Planeten von der Sonne waren damals noch nicht bekannt, und das 3. keplersche Gesetz lieferte nur die Verhältnisse der Bahnradien der Planeten, aber keine absoluten Werte. Kannte man hingegen etwa die Astronomische Einheit, also die Entfernung zwischen Erde und Sonne, ließen sich auch die mittleren Halbachsen der übrigen Planetenbahnen berechnen. Halley schlug vor, die beiden nächsten Venusdurchgänge zu nutzen, um mittels der Parallaxenmethode und dem 3. keplerschen Gesetz die Astronomische Einheit zu bestimmen und daraus die weiteren Dimensionen des (damals bekannten) Sonnensystems.

Um den Venustransit sicher beobachten zu können, müssen Sie alle Vorsichtsmaßnahmen beachten, die für die Sonnenbeobachtung notwendig sind, denn ungefiltertes Sonnenlicht kann ihre Augen irreparabel schädigen! Zwei sichere Beobachtungsmethoden: einen guten Objektivfilter oder die Projektion des teleskopischen Sonnenbilds auf einen weißen Karton.
Sehr gefährlich ist dagegen die Verwendung eines Okularfilters aus Schwarzglas, er kann im heißen Sonnenfokus schnell platzen! Sie sollten keine Experimente mit von Ruß geschwärztem Glas, schwarzem Diafilm oder Schweißerbrillen machen, weil diese das unsichtbare, aber dennoch gefährliche infrarote Licht durchlassen können.

Diese Methode erklärte er in seiner Dissertation "A plain method of finding the distance of all planets from the Sun by the transit of Venus over the Sun’s disc", die in einem ähnlichen Werk von James Ferguson (1710–1776) im Jahr 1761 erschienen ist. Halley legte der Royal Astronomical Society (London) nahe, den bevorstehenden Venustransit von mehreren Standorten über den Globus verteilt zu beobachten, deren Abstände genau bekannt waren. Dann sollte sich die Astronomische Einheit mit Hilfe des 3. keplerschen Gesetzes auf 0,2 Prozent genau bestimmen lassen, so Halleys Prognose.

Wissenschaftliches Großprojekt

Dank der Veröffentlichungen durch die Astronomical Society verbreitete sich die Nachricht der bevorstehenden Ereignisse 1761 und 1769 nun in der gesamten westlichen Gelehrtenwelt. Erstmals in der Geschichte der Astronomie oder gar der Naturwissenschaften fanden sich Wissenschaftler aus verschiedenen Lagern zusammen. In nationaler und teilweise auch internationaler Zusammenarbeit planten sie groß angelegte Beobachtungskampagnen. Europäische Astronomen etwa beobachteten den zweiten der beiden Durchgänge von rund 80 Stationen über den Globus verteilt und führten dabei mehr als 150 Messungen durch. Darunter sind wohl die bekanntesten in die Geschichte eingegangenen Expeditionen jene von Le Gentil de la Galasière (1725–1792) zu beiden Transits sowie von Captain James Cook gemeinsam mit dem Astronomen Charles Green und dem astronomisch geschulten Botaniker Daniel Solander zu dem Durchgang im Jahr 1769.

Historische Expedition
© public domain
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernHistorische Expedition
In früheren Jahrhunderten nahmen Astronomen oft große Strapazen auf sich, um den Venustransit beobachten zu können, wie diese historische Zeichnung aus der London Times zum astronomischen Ereignis 1874 andeutet. Damals starteten viele Briten nach Indien, um einen Blick auf die Passage unseres Erdnachbarn zu werfen.

Allerdings waren derartige Forschungsreisen zur damaligen Zeit kein leichtes Unterfangen, barg doch der weite Seeweg jede Menge Widrigkeiten und unvorhersehbare Gefahren. Bezeichnend ist hierbei das Schicksal des französischen Astronomen Le Gentil, der per Schiff in Richtung Indonesien aufbrach, um von dort den Durchgang 1761 zu beobachten. Auf Grund von Kriegswirren erreichte er das Eiland nicht, sondern musste den Venustransit von Deck eines Schiffs aus verfolgen. Eine recht wackelige Angelegenheit, die kein wissenschaftliches Arbeiten ermöglichte. Um die Messungen nachzuholen, entschied er sich dafür, den nächsten Transit im Juni 1769 noch unterwegs im südlichen Indien abzupassen. Doch auch diesmal hatte er Pech, denn das Wetter spielte nicht mit. Auf der Heimreise gen Frankreich erlitt der Forscher dann gleich zweifach Schiffbruch – überlebte aber glücklicherweise beide Male.

Ein schwarzer Venustropfen

Ein wesentlicher Bestandteil für die Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Astronomischen Einheit waren exakte Zeitangaben zu den vier Kontakten zwischen Venus- und Sonnenrand. Wie Astronomen von den verschiedenen Expeditionen zahlreich berichteten, schien sich das dunkle Venusscheibchen während des Eintritts vor die Sonne nur zäh von deren Rand zu lösen. Zwischen den Rändern beider Himmelskörper tat sich eine dunkle Verbindung auf – einem Wassertropfen gleich hing die Venus am Sonnenrand. Die Verbindung riss erst ab, als der Planet tatsächlich schon deutlich in die Sonnenscheibe hineingewandert war. Ähnliches wiederholte sich während der Austrittsphase beim dritten Kontakt. Aus diesem Grund ließen sich vor allem die beiden inneren Kontakte zeitlich nicht genau festlegen.

Für dieses als "Schwarzer Tropfen" bezeichnete Phänomen kursierten lange Zeit sehr unterschiedliche Erklärungen: Als eine Ursache diskutierten einige Forscher bis Ende des 20. Jahrhunderts eine planetare Atmosphäre. Die Venusatmosphäre, so ihre Vermutung, breche das Sonnenlicht derart, dass der Planetenrand nicht mehr klar definierbar sei. Tatsächlich offenbart sich die Gashülle der Venus bei einem Transit jedoch in anderer Form: Schon während des Durchgangs 1761 berichtete der Petersburger Universalgelehrte Michail Lomonossow (1711–1765) von einem Lichtkranz, der in Erscheinung tritt, während sich der Planet vor die Sonne schiebt.

Ein weiteres Indiz für die Atmosphäre sind die – auch nur selten und kurz nach der neuen Venus zu beobachtenden – Hörnerspitzen. Dabei greifen die Enden der schmalen Planetensichel weiter um den Planeten herum, als es die Phase erlauben würde. Diese beiden Phänomene kommen in der Tat durch die Brechung des Sonnenlichts in der Venusatmosphäre zu Stande. Als Ursachen für die "Tröpfchenbildung" wurden weiterhin die Luftunruhe der Erdatmosphäre, eine optische Täuschung, die Abbildungsfunktion der Teleskope sowie die Mitte-Rand-Verdunklung der Sonne diskutiert. Endgültig lösen lassen sollte sich das Rätsel um das Phänomen des "Schwarzen Tropfens" jedoch erst mit den Mitteln der modernen Raumfahrt.

Trotz dieser messtechnischen Schwierigkeiten war die Astronomische Einheit zu 153 Millionen Kilometer berechnet worden, rund zwei Prozent zu groß, wie wir heute wissen. Zwar entsprach dies nicht Halleys Einschätzungen an Präzision. Verglichen mit modernen Entfernungsmessungen im Universum, wie sie etwa auf der Hubble-Konstanten basieren, war dies dennoch eine enorme Leistung. Denn selbst die Hubble-Zahl ist nur auf fünf Prozent genau bekannt und war bis zu den jüngsten Messungen durch den Satelliten WMAP der NASA mit einem noch größeren Messfehler behaftet.

Beobachten will geübt sein

Während der Vorbereitungen auf die nächsten beiden Venusdurchgänge in den Jahren 1874 und 1882 versuchten die Wissenschaftler, dem Problem der Messungenauigkeit beizukommen. Über die Planungen zu den bevorstehenden Beobachtungskampagnen berichtete "Scientific American" bereits ab dem Jahr 1869 mehrfach eindrücklich. Um die Messungen der an die unterschiedlichen Orte ausgesandten Expeditionen später vergleichen zu können, galt es, all die Forschergruppen mit identischen Beobachtungsgeräten und Zeitmessern auszustatten.

Venus
© NASA
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernVenus
Unsere ungleiche Schwester: Die Venus gehört zu den erdähnlichen Planeten – allerdings mit einer höllischen Atmosphäre und einer etwas anderen Geologie. Am Nachthimmel ist sie nach dem Mond das hellste natürliche Objekt.

Darum war allen voran die Royal Astronomical Society bemüht. Der Astronomer Royal Sir George Airy sorgte dafür, dass diese Instrumente beizeiten zusammenkamen. Besonderes Augenmerk legte man auf das Tröpfchenphänomen. In der Annahme, es könnte sich tatsächlich um eine optische Täuschung handeln, schlug Airy vor, das Beobachten anhand der Vorübergänge der damals vier bekannten Jupitermonde zu üben. Zudem ersann er eine Apparatur, die einen Venustransit mechanisch simulierte. Alsbald kamen erste Zweifel an der These der optischen Täuschung auf. Denn es zeigte sich, dass der modellierte Tröpfcheneffekt variierte, wenn man diesen mit verschiedenen Optiken betrachtete. Verwendete man eine geringere Vergrößerung, hielt er während der Eintrittsphase länger an und trat auch während der Austrittsphase früher in Erscheinung als bei der Beobachtung mit stärkerer Vergrößerung.

Bereits ein Jahr vor dem Transit sollen die Astronomen täglich an dieser Vorrichtung geübt haben, um im Ernstfall bestens mit der Ausrüstung und ihrer subjektiven Wahrnehmung vertraut zu sein. So starteten auch im 19. Jahrhundert wieder zahlreiche Expeditionen in die ganze Welt mit dem wissenschaftlichen Ziel, die Astronomische Einheit mittels der Parallaxenmethode zu vermessen. Teleskope und Messinstrumente waren mittlerweile sehr viel genauer geworden, und als neues Mittel der Datenaufzeichnung stand außerdem die Fotografie zur Verfügung. Die Aufnahmen machten zeitaufwändige Zeichnungen überflüssig. Zudem erlaubten sie vor allem einen objektiven Vergleich der Beobachtungen im Nachhinein. Damit ließ sich nun auch ausschließen, dass der Tröpfcheneffekt nur eine optische Täuschung des menschlichen Auges war. Denn auf den Fotos war der "Schwarze Tropfen" ebenfalls zu sehen.

Der Tropfen löst sich auf

"Es ist wahrscheinlich das letzte Mal, dass ein so hoher wissenschaftlicher Aufwand für einen Venusdurchgang betrieben wird. Vermutlich wird es bis zum nächsten Transit 2004 andere und genauere Methoden geben, um die Entfernung zur Sonne zu berechnen", schreibt der »Scientific American« im Dezember 1882 vorausschauend. Wie recht sollte der Autor haben, hatte sich doch bis zum Venustransit 2004 längst die Radarmessung zur Entfernungsbestimmung im Sonnensystem etabliert. Zudem bot sich zu diesem Datum erstmals die Gelegenheit, den Venusdurchgang per Satellit zu beobachten. Mit freiem Blick ohne die störende Luftunruhe der Erdatmosphäre ließe sich auch das Rätsel um das Phänomen des "Schwarzen Tropfens" endgültig lösen, so die Hoffnung der Wissenschaftler.

Die zur Sonnenbeobachtung ausgelegte Mission TRACE (Transition Region and Coronal Explorer) der NASA hatte bereits am 15. November 1999 einen der viel häufigeren Merkurtransits verfolgt. Nachdem der Tröpfcheneffekt auch bei Durchgängen dieses Planeten bei bodengebundenen Beobachtungen aufgefallen war, ließ sich eine planetare Atmosphäre als Ursache für dieses Phänomen bereits weit gehend ausschließen, denn Merkur besitzt keine Gashülle. Da sich aber selbst auf den Satellitenbildern eine Verbindung zwischen Planeten- und Sonnenrand offenbarte, kam die unruhige Erdatmosphäre ebenfalls nicht oder nur in sehr geringem Maße als Ursache in Frage.

Sichtbarkeitsdiagramm des Venustransits vom 6. Juni 2012
© Fred Espenak / NASA / SuW-Grafik
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernSichtbarkeitsdiagramm des Venustransits vom 6. Juni 2012
Der Venusdurchgang am 5./6. Juni 2012 ist im westlichen Pazifik, in Ostasien und in der Arktis in voller Länge zu sehen. Für Europa beginnt der Transit bereits vor Sonnenaufgang.

Mit den modernen Mitteln der Bildanalyse berechneten die Wissenschaftler die Instrumentenfunktion, die natürlich gegebene Unschärfe der Optik, und korrigierten die Aufnahmen entsprechend. Außerdem glichen sie rechnerisch die Mitte-Rand-Verdunklung an der Sonnenscheibe aus. Damit verschwand auf den Bildern auch das Tröpfchenphänomen, Planeten- und Sonnenrand ließen sich nun klar voneinander abgrenzen. Diese Satellitenbeobachtungen belegten also, dass die Hauptursache für das Auftreten des "Schwarzen Tröpfchens" die optischen Eigenschaften des Teleskops sowie die Mitte-Rand-Verdunklung waren.

Dies legte die Vermutung nahe, dass selbiges auch für einen Venustransit zutreffen würde und nicht die planetare Atmosphäre die Ursache für das Tröpfchen war. Beobachtungen mit TRACE konnten dies am 6. Juni 2004 bestätigen. Gleichzeitig tat sich den Wissenschaftlern mit diesem Datum eine Möglichkeit auf, sich auf eine Forschungskampagne ganz anderer Dimension vorzubereiten: Seit fast einer Dekade waren die Astronomen erfolgreich bei der Suche nach extrasolaren Planeten, wofür sie aber bis dahin ausschließlich bodengebundene Teleskope eingesetzt hatten. Nun befanden sich die beiden Weltraumobservatorien Kepler (NASA) und COROT (ESA) in Planung. Sie sollten frei von atmosphärischen Störungen nach kleinsten Helligkeitsschwankungen Ausschau halten, die extrasolare Planeten beim Transit an ihrem Mutterstern hervorriefen. Aber auch Sternenflecken, Protuberanzen oder andere intrinsische Strahlungsschwankungen können solche minimalen Änderungen in der Strahlungsintensität bewirken. Deshalb ist es nicht einfach, die Spur etwa einer fremden Erde um einen fernen Stern auszumachen.

So nahmen die Astronomen sich zunächst die Venus vor. Mit den Sonnenobservatorien TRACE und ACRIMSAT untersuchten sie während des Transits 2004, wie sich das beobachtete Strahlungsvermögen der Sonne verändert, wenn die Venus eine winzige Teilfläche von ungefähr 0,1 Prozent der scheinbaren Sonnenscheibe verdeckt. Diese Messungen dienten als Grundlage für fotometrische Modelle zur Beobachtung extrasolarer Planetentransits mit geplanten Missionen wie etwa Kepler. So ist bei einem vergleichbaren extrasolaren Planetentransit eine vorübergehende Abschwächung des Sternenlichts um etwa 0,1 Prozent zu erwarten.

Inzwischen haben Kepler und COROT mit der Transitmethode 59 beziehungsweise 21 Planeten aufgespürt. Auch diesen Sommer sollen wieder Teleskope aus dem All die Venus unter die Lupe nehmen, und zwar die ESA-Sonde Venus Express und das Solar Dynamics Observatory der NASA. Dabei interessieren sich die Wissenschaftler vor allen Dingen dafür, welche Eigenschaften der planetaren Atmosphäre sich bei einem Transit besonders bemerkbar machen. Davon erhoffen sie sich Erkenntnisse, die sie für die spektroskopische Untersuchung bei der Suche nach fremden Erden verwenden können. Es bleibt also spannend, welches Geheimnis uns die Venus vor der Sonne diesmal offenlegen wird.