Seit 2012 wird die astronomische Einheit nicht mehr gemessen, sondern per Beschluss festgelegt. Astronomen gaben die Suche nach einem immer präziseren Wert für die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Sonne auf und legten sie schlicht auf 149.597.870.700 Meter fest, Punkt. Das ist das merkwürdige Ende eines Rätsels, an dem Menschen vor mehr als zwei Jahrtausenden zu knobeln begannen.
Die astronomische Einheit ist eines der grundlegenden Maße der Astronomie, ein Platzhalter für Entfernungen im Sonnensystem, die sonst in endlosen Nullen ertrinken würden. Um ihren Wert richtig zu bestimmen, mussten Beobachter antike Geometrie bemühen, ein flämischer Astronom jahrhundertealte Rechnungen neu durchführen, eine seltene Planetenüberquerung von entgegengesetzten Enden der Erde aus beobachtet werden, und schließlich half ein vorbeiziehender Asteroid. Die folgende Geschichte zeichnet nach, wie eine Zahl, die heute als feste Konstante gilt, über den Großteil ihrer Geschichte eine der schwierigsten Größen am Himmel war, die es zu bestimmen galt.
Eine Entfernung, festgelegt durch Definition, nicht durch Messung
Heute ist die astronomische Einheit als eine Länge von exakt 149.597.870.700 Metern definiert — ohne Fehlertoleranz, ohne Unsicherheit. Vor der Neudefinition von 2012 wurde sie lockerer verstanden: als Durchschnitt aus dem sonnennächsten und dem sonnenfernsten Punkt der Erdumlaufbahn über ein Jahr, ein Wert, der sich mit jeder Verbesserung der Messtechnik leicht verschob.
Diese ältere, physikalisch begründete Version ist auch der Grund, warum die Einheit in einer Diskussion über Licht auftaucht. Nach dem IAU-Standard von 2009 benötigt ein Lichtstrahl 499,0047838061 Sekunden — etwas mehr als 8 Minuten und 19 Sekunden —, um eine astronomische Einheit zu durchqueren. Die Festlegung des Meterwerts der Einheit per Beschluss statt durch Beobachtung bedeutete, dass die Laufzeit endlich auf zehn Nachkommastellen genau angegeben werden konnte, statt für immer einem beweglichen Ziel hinterherzujagen.
Antike Geometrie, Jahrhunderte der Korrektur
Der früheste bekannte Versuch, die Entfernung zwischen Erde und Sonne abzuschätzen, ist erstaunlich alt. Um 280 v. Chr. maß Aristarch den Winkel zwischen Mond, Erde und Sonne genau in dem Moment, in dem der Mond seine erste Viertelphase zeigte, und nutzte diesen Winkel, um zu berechnen, wie weit die Sonne entfernt sein musste. Die Geometrie hinter der Methode war stichhaltig; die Instrumente der damaligen Zeit waren es nicht, und die errechnete Entfernung blieb weit hinter der Realität zurück.
Es dauerte lange, bis jemand diesen Fehler ernsthaft infrage stellte. 1635 wiederholte der flämische Astronom Godefroy Wendelin Aristarchs Beobachtung und stellte fest, dass Ptolemäus' Wert um mindestens den Faktor elf danebenlag. Einige Jahrzehnte später fügten sich zwei weitere Teile zusammen: 1669 lieferte Jean Picard eine verlässliche Messung des Erdradius mit 3.269.000 Toisen, und 1676 zeigte der Astronom Ole Rømer, dass Licht selbst eine messbare Zeit zum Reisen braucht — eine Entdeckung, die sich als so nützlich erwies, dass Astronomen begannen, die Entfernung zwischen Sonne und Erde in Lichtlaufzeit anzugeben, eine Gewohnheit, die sich hielt.
Erst der Name, dann die Verfeinerung
Für ein Konzept, auf das sich Astronomen bereits seit der Antike stützten, kam die Bezeichnung überraschend spät: Der Begriff „astronomische Einheit" wurde erstmals 1848 verwendet.
Der Wert hinter diesem Namen wurde bis weit ins zwanzigste Jahrhundert hinein immer weiter verfeinert. Einen besonders nützlichen Anstoß lieferte ein vorbeiziehender Weltraumbrocken: Astronomen nutzten den neu entdeckten erdnahen Asteroiden 433 Eros und dessen nahen Vorbeiflug an der Erde 1900-1901, um Parallaxenmessungen zu schärfen und den Wert der astronomischen Einheit erheblich zu verfeinern.
Venus zieht vor der Sonne vorbei
Unabhängig von der Asteroidenjagd wurde ein wiederkehrendes Himmelsereignis zum bevorzugten Werkzeug der Astronomen, um die Einheit zu bestimmen: ein Venustransit, bei dem der Planet, von der Erde aus gesehen, direkt vor der Sonne vorbeizieht. Nachdem Astronomen 1631 auf diese Transite aufmerksam geworden waren, sorgten deren Seltenheit — und ihr Potenzial, bei der Vermessung des Sonnensystems zu helfen — dafür, dass jahrhundertelang immer wieder Expeditionen zu ihnen aufbrachen.
Der Erste, der tatsächlich einen solchen Transit aufzeichnete, war der englische Astronom Jeremiah Horrocks, der die Sonne am 4. Dezember 1639 von seinem Zuhause in Much Hoole aus beobachtete. Mehr als ein Jahrhundert später brachte der Transit von 1761 seinen eigenen Durchbruch: Dem russischen Wissenschaftler Michail Lomonossow, der von der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in Sankt Petersburg aus beobachtete, wird seit Langem die Entdeckung zugeschrieben, dass Venus überhaupt eine Atmosphäre besitzt.
Venustransite folgen einem unregelmäßigen Rhythmus statt einem ordentlichen Zeitplan, was mit ein Grund ist, warum eine Smithsonian-Ausstellung ihre Geschichte um sie herum aufbaute: Sie markierte den sechsten beobachteten Transit, der im Juni 2004 stattfand, als jüngsten Eintrag in einer Jagd, die sich über Jahrhunderte erstreckt hatte.
Die Newcomb-Zahlen
Der amerikanische Astronom Simon Newcomb ging dieser Frage aus zwei verschiedenen Richtungen nach, und beide Ergebnisse sind es wert, bekannt zu sein. Anhand älterer Daten zur Sonnenparallaxe leitete er einen Wert von 8″,87 ab — eine Zahl, die Zeitgenossen für weitaus verlässlicher hielten als eine konkurrierende Berechnung von Powalky. Von einer anderen Seite näherte sich Newcomb dem Problem, indem er die Beobachtungsdaten der letzten vier Venustransite zusammenführte und auf eine Erde-Sonne-Entfernung von 149,59 plus/minus 0,31 Millionen Kilometern kam — eine Spanne, die den heute von Astronomen verwendeten Wert bereits einschloss.
Die Erdumlaufbahn selbst, gemessen in AE
Die astronomische Einheit ist letztlich eine Beschreibung der eigenen Bahn der Erde, weshalb sich ein direkter Blick auf diese Umlaufbahn lohnt. Die Erde hält im Durchschnitt einen Abstand von etwa 149,60 Millionen Kilometern zur Sonne, was rund 8,317 Lichtminuten entspricht — nahe genug an der definierten astronomischen Einheit, dass beide Werte im Wesentlichen dieselbe Messung beschreiben.
Um diese Umlaufbahn zurückzulegen, ist eine Geschwindigkeit nötig, an die die meisten Objekte auf der Erde nie herankommen: Unser Planet bewegt sich mit durchschnittlich 29,78 Kilometern pro Sekunde — schnell genug, um seinen eigenen Durchmesser in 7 Minuten zu durchqueren und die gesamte Strecke zum Mond in etwa 4 Stunden zurückzulegen.
Nachbarn, nah und fern
Sobald die astronomische Einheit feststand, wurde sie zum natürlichen Maßstab, um alles andere im Sonnensystem zu beschreiben, Planeten eingeschlossen.
Jupiter, der größte Planet, befindet sich 5,2 AE von der Sonne entfernt. Neptun, der am weitesten entfernte Planet, umkreist die Sonne mehr als fünfmal so weit draußen, bei 30 AE — eine Entfernung, für die man sonst Planet für Planet immer wieder Zahlen in der Größenordnung der Erde-Sonne-Entfernung ausschreiben müsste.
Das ist der stille Lohn einer sehr langen Anstrengung: eine einzige feststehende Zahl, gewonnen durch antike Dreiecke, Transite und einen vorbeistreifenden Asteroiden, mit der Astronomen heute ein gesamtes Sonnensystem in einer einheitlichen Größe beschreiben können.