Densidade média da Terra

Uma das pesquisas mais notáveis de Airy foi sua determinação da densidade média da Terra. Em 1826, ocorreu-lhe a ideia de atacar esse problema por meio de experimentos com pêndulo no topo e no fundo de uma mina profunda. Sua primeira tentativa, feita no mesmo ano, na mina Dolcoath, na Cornualha, fracassou devido a um acidente com um dos pêndulos. Uma segunda tentativa em 1828 foi frustrada por uma inundação da mina, e muitos anos se passaram antes que outra oportunidade surgisse. Os experimentos finalmente ocorreram no poço Harton, perto de South Shields, no norte da Inglaterra, em 1854. Seu resultado imediato foi mostrar que a gravidade no fundo da mina excedia a do topo em 1/19286 de seu valor, sendo a profundidade de 383 m (1 257 ft). A partir disso, ele chegou ao valor final da densidade específica da Terra de 6,566.^[10] Este valor, embora consideravelmente superior ao encontrado anteriormente por diferentes métodos, foi considerado por Airy, devido ao cuidado e à completeza com que as observações foram realizadas e discutidas, como "digno de competir com os outros em, pelo menos, igualdade de condições." O valor atualmente aceito para a densidade da Terra é 5,5153 g/cm³.^[9]

Geoide de referência

Em 1830, Airy calculou os comprimentos do raio polar e do raio equatorial da Terra usando medições feitas no Reino Unido. Embora suas medições tenham sido substituídas por figuras de raio mais precisas (como as usadas para GRS 80 e WGS84), seu geoide de Airy (estritamente um elipsoide de referência, OSGB36) ainda é usado pelo Ordnance Survey da Grã-Bretanha para mapeamento da Inglaterra, Escócia e País de Gales, pois se ajusta melhor ao nível do mar local (cerca de 80 cm abaixo da média mundial).^[11][12]

Desigualdades planetárias

A descoberta de Airy de uma nova desigualdade nos movimentos de Vênus e da Terra é, em alguns aspectos, sua realização mais notável. Ao corrigir os elementos das tabelas solares de Delambre, ele foi levado a suspeitar de uma desigualdade negligenciada por seu construtor. A causa disso ele não procurou em vão por muito tempo; treze vezes o movimento médio de Vênus é tão próximo de oito vezes o da Terra que a diferença equivale a apenas uma pequena fração do movimento médio da Terra, e pelo fato de que o termo dependente dessa diferença, embora muito pequeno em si mesmo, recebe na integração das equações diferenciais um multiplicador de cerca de 2 200 000, Airy foi levado a inferir a existência de uma desigualdade sensível que se estende por 240 anos (Phil. Trans. cxxii. 67). A investigação foi provavelmente a mais trabalhosa que havia sido feita até a época de Airy na teoria planetária e representou a primeira melhoria específica nas tabelas solares efetuada na Inglaterra desde o estabelecimento da teoria da gravidade. Em reconhecimento a este trabalho, a Medalha de Ouro da Royal Astronomical Society foi concedida a ele em 1833^[9] (ele a ganharia novamente em 1846).

Disco de Airy

A resolução de dispositivos ópticos é limitada pela difração. Assim, mesmo a lente mais perfeita não consegue gerar uma imagem pontual em seu foco, mas sim um padrão central brilhante agora chamado de disco de Airy, cercado por anéis concêntricos que compõem um padrão de Airy. O tamanho do disco de Airy depende do comprimento de onda da luz e do tamanho da abertura. John Herschel havia descrito anteriormente o fenômeno,^[13] mas Airy foi o primeiro a explicá-lo teoricamente.^[14]

Simulação da Formação do Disco de Airy

Partículas individuais formando o padrão de difração de furo pequeno

Distribuição de probabilidade da difração de furo pequeno

Este foi um argumento-chave para refutar um dos últimos argumentos remanescentes para o geocentrismo absoluto: o argumento da estrela gigante. Tycho Brahe e Giovanni Battista Riccioli apontaram que a falta de paralaxe estelar detectável na época implicava que as estrelas estavam a uma distância enorme. Mas o olho nu e os primeiros telescópios com pequenas aberturas pareciam mostrar que as estrelas eram discos de um certo tamanho. Isso implicaria que as estrelas eram muitas vezes maiores que o Sol (eles não tinham conhecimento de estrelas supergigantes ou hipergigantes, mas algumas foram calculadas como sendo ainda maiores do que o tamanho de todo o universo estimado na época). No entanto, as aparências de disco das estrelas eram espúrias: eles não estavam realmente vendo imagens estelares, mas discos de Airy. Com telescópios modernos, mesmo com aqueles que têm o maior aumento, as imagens de quase todas as estrelas aparecem corretamente como meros pontos de luz.

Astrônomo Real

Em junho de 1835, Airy foi nomeado Astrônomo Real em sucessão a John Pond e começou sua longa carreira no observatório nacional, que constitui seu principal título de fama. A condição do observatório na época de sua nomeação era tal que Lord Auckland, o primeiro Lorde do Almirantado, considerou que "deveria ser limpo", enquanto Airy admitiu que "estava em um estado estranho." Com sua energia habitual, ele se pôs a trabalhar imediatamente para reorganizar toda a administração. Ele remodelou os volumes de observações, colocou a biblioteca em uma base adequada, montou o novo equatorial (Sheepshanks) e organizou um novo observatório magnético. Em 1847, um altazimute foi erguido, projetado por Airy para permitir observações da lua não apenas no meridiano, mas sempre que pudesse ser visível.^[15] Em 1848, Airy inventou o tubo zenital de reflexão para substituir o setor zenital usado anteriormente. No final de 1850, o grande círculo de trânsito de 203 mm (8,0 in) de abertura e 3,5 metros (11 pés 6 polegadas) de distância focal foi erguido e ainda é o principal instrumento de sua classe no observatório. A montagem em 1859 de um equatorial de 330 mm (13 in) de abertura provocou o comentário em seu diário para aquele ano: "Não há agora uma única pessoa empregada ou instrumento usado no observatório que estivesse lá no tempo do Sr. Pond"; e a transformação foi concluída com a inauguração do trabalho espectroscópico em 1868 e do registro fotográfico de manchas solares em 1873.^[9]

A formidável tarefa de reduzir as observações planetárias acumuladas feitas em Greenwich de 1750 a 1830 já estava em andamento sob a supervisão de Airy quando ele se tornou Astrônomo Real. Pouco depois, ele assumiu a tarefa adicional e laboriosa de reduzir a enorme massa de observações da lua feitas em Greenwich durante o mesmo período sob a direção, sucessivamente, de James Bradley, Nathaniel Bliss, Nevil Maskelyne e John Pond, para cujo custeio uma grande soma de dinheiro foi alocada pelo Tesouro. Como resultado, nada menos que 8 000 observações lunares foram resgatadas do esquecimento e foram, em 1846, colocadas à disposição dos astrônomos em uma forma tal que pudessem ser usadas diretamente para comparação com a teoria e para o aprimoramento das tabelas do movimento da lua.^[9]

Por este trabalho, Airy recebeu em 1848 um testemunho da Royal Astronomical Society, e isso imediatamente levou à descoberta por Peter Andreas Hansen de duas novas desigualdades no movimento da lua. Após completar essas reduções, Airy fez investigações, antes de se envolver em qualquer investigação teórica relacionada a elas, para saber se algum outro matemático estava estudando o assunto e, sabendo que Hansen o havia assumido sob o patrocínio do rei da Dinamarca, mas que, devido à morte do rei e à consequente falta de fundos, havia o perigo de ele ser forçado a abandoná-lo, ele solicitou ao almirantado em nome de Hansen a quantia necessária. Seu pedido foi imediatamente atendido e, assim, os famosos Tables de la Lune de Hansen foram dedicados a La Haute Amirauté de sa Majesté la Reine de la Grande Bretagne et d'Irlande.^[9]

Em 1851, Airy estabeleceu um novo Meridiano Primário em Greenwich. Esta linha, o quarto "Meridiano de Greenwich", tornou-se a linha internacionalmente reconhecida definitiva em 1884.^[16][17] Foi substituído pelo Meridiano de Referência IERS em 1984, que corre aproximadamente 102 metros a leste.

Busca por Netuno

Em junho de 1846, Airy começou a se corresponder com o astrônomo francês Urbain Le Verrier sobre a previsão deste último de que as irregularidades no movimento de Urano eram devidas a um corpo ainda não observado. Ciente de que o astrônomo de Cambridge John Couch Adams havia sugerido que havia feito previsões semelhantes, em 9 de julho Airy instou James Challis a realizar uma busca sistemática na esperança de garantir o triunfo da descoberta para a Grã-Bretanha. Em última análise, uma busca rival em Berlim por Johann Gottfried Galle, instigada por Le Verrier, venceu a corrida pela prioridade.^[18] Embora Airy tenha sido "abusado mais selvagemente tanto por ingleses quanto por franceses"^[19] por sua falha em agir sobre as sugestões de Adams mais prontamente, também houve alegações de que as comunicações de Adams eram vagas e dilatórias^[18] e, além disso, que a busca por um novo planeta não era responsabilidade do Astrônomo Real.^[20]

Teste de arrasto do éter

Usando um telescópio cheio de água, em 1871 Airy procurou por uma mudança na aberração estelar através da água refrativa devido à hipótese do arrasto do éter.^[21] Como todos os outros esforços para detectar a deriva ou arrasto do éter, Airy obteve um resultado negativo.

Teoria lunar

Em 1872, Airy concebeu a ideia de tratar a teoria lunar de uma nova maneira e, aos setenta e um anos, embarcou no prodigioso trabalho que esse esquema exigia. Uma descrição geral de seu método pode ser encontrada nas Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. xxxiv, No. 3. Consistia essencialmente na adoção das expressões numéricas finais de Charles-Eugène Delaunay para longitude, latitude e paralaxe, com um termo simbólico anexado a cada número, cujo valor seria determinado por substituição nas equações de movimento.^[9]

Neste modo de tratar a questão, a ordem dos termos é numérica e, embora a quantidade de trabalho seja tal que poderia muito bem ter dissuadido um homem mais jovem, os detalhes eram fáceis e grande parte dele poderia ser confiada a "um mero computador".^[9][a]

A obra foi publicada em 1886, quando seu autor tinha oitenta e cinco anos. Por algum tempo antes, ele havia sido incomodado pela suspeita de que certos erros haviam se infiltrado nos cálculos e, portanto, dedicou-se à tarefa de revisão. Mas suas faculdades já não eram o que foram, e ele nunca conseguiu examinar o assunto suficientemente. Em 1890, ele nos conta como um erro grave havia sido cometido em uma das primeiras etapas e acrescenta com pathos: "Meu espírito no trabalho foi quebrado e nunca mais prossegui com ele de coração."^[9]

Mecânica da engenharia

Desastre da Ponte Tay

Airy foi consultado sobre velocidades e pressões do vento que provavelmente seriam encontradas na proposta ponte suspensa sobre o Forth, projetada por Thomas Bouch para a North British Railway no final da década de 1870. Ele pensou que pressões não maiores que cerca de 10 libras por pé quadrado (500 pascals) poderiam ser esperadas, um comentário que Bouch interpretou como também se aplicando à primeira Ponte Ferroviária Tay então em construção. Pressões muito maiores, no entanto, podem ser esperadas em tempestades severas. Airy foi chamado para testemunhar no inquérito oficial sobre o desastre da Ponte Tay e foi criticado por seu conselho. No entanto, pouco se sabia sobre os problemas de resistência ao vento de grandes estruturas, e uma Comissão Real sobre Pressão do Vento foi solicitada a conduzir pesquisas sobre o problema.^[24]

Controvérsia

Airy foi descrito em seu obituário publicado pela Royal Society como sendo "um adversário duro" e histórias de vários desentendimentos e conflitos com outros cientistas sobrevivem. Francis Ronalds descobriu que Airy era seu inimigo enquanto ele era o Diretor Honorário inaugural do Observatório de Kew, que Airy considerava um concorrente de Greenwich.^[25][26] Outros conflitos bem documentados foram com Charles Babbage e Sir James South.^[27][28]