Primer viaje (1768–71)
En 1766, la Royal Society lo contrató para viajar al océano Pacífico, con objetivo de observar y documentar el tránsito de Venus sobre el SolGreen, Cook y Solander hicieron mediciones por separado, que tuvieron variaciones mayores que los márgenes de error esperados. La instrumentación que utilizaron era adecuada para la época, pero los métodos utilizados no eliminaban los errores. Más tarde, cuando sus resultados fueron comparados con los de otros observadores del mismo evento desde otras partes del mundo, el resultado no fue tan concluyente o preciso como se había esperado.
Una vez que las observaciones se completaron, Cook partió para realizar el segundo propósito de su viaje: buscar en el Pacífico Sur señales del continente más austral: Terra Australis. La Royal Society, y especialmente Alexander Dalrymple, creían que debía existir; sin embargo, Cook tenía sus propias dudas al respecto. Con la ayuda de Tupaia, un tahitiano que tenía gran conocimiento de la geografía del Pacífico, Cook se las arregló para llegar hasta Nueva Zelanda, siendo el segundo europeo en llegar allí. Abel Tasman, en 1642, había sido el primero. Cook hizo un mapeo de toda la costa de Nueva Zelanda, cometiendo sólo algunos errores menores. También descubrió el estrecho de Cook, que separa la isla Norte de la isla Sur, que Tasman no había visto.
Luego partió con rumbo oeste, para intentar llegar a Tierra de Van Diemen (hoy Tasmania), que había sido vista por Tasman, para establecer si formaba parte o no del legendario continente austral. Sin embargo, fueron forzados a mantener un rumbo más hacia el norte debido a los fuertes vientos. Cuando divisaron tierra, Cook la nombró Punta Hicks, ya que Leuit Hicks fue el primero en divisarla. Cook pensó que podía ser Tierra de Van Diemen, pero en realidad era parte de la costa sudeste de Australia, y con esto se convirtieron en los primeros europeos conocidos en encontrar la costa este del continente.
El lugar avistado es generalmente calculado como un punto a mitad de camino entre las actuales ciudades de Orbost y Mallacota, en el estado de Victoria. Un nuevo reconocimiento de la zona, realizado en 1843, volvió a bautizar el lugar como Cabo Everard. Para el bicentésimo aniversario del avistaje, el nombre fue oficialmente cambiado a Punta Hicks nuevamente.
El HMB Endeavour continuó rumbo al norte, bordeando la costa, manteniendo la tierra a la vista. Cook cartografió y bautizó con diferentes nombres a varios lugares. Después de una semana, pasaron por una gran caleta de poca profundidad. En este lugar, llamado Kurnell, Cook y su tripulación tuvieron el primer contacto con el continente.
Al principio, Cook llamó al lugar bahía Stingaree, debido a la gran cantidad de rayas encontradas allí; luego fue cambiado a bahía Botánico, y finalmente a bahía Botánica (Botany Bay), por las especies únicas encontradas por Banks, Solander y Spöring.
Este primer sitio en el cual pararon, más tarde fue fomentado (especialmente por Banks) como un buen lugar para establecer un asentamiento y una colonia británica. Sin embargo, casi dieciocho años después de este primer arribo, cuando el capitán Arthur Phillip llegó allí en 1788 para establecer un fuerte y una colonia penal, encontró que la bahía y sus alrededores no eran un lugar tan promisorio como había sido descrito. Entonces, Phillip dio órdenes de moverse hacia el norte, al lugar que Cook había denominado Port Jackson pero no había explorado en profundidad. Fue en un lugar de Sydney Cove que se realizó el asentamiento de Sydney. Durante algunos años más, el lugar seguiría siendo llamado generalmente Botanic Bay. Aquí se realizaron las primeras expediciones científicas para documentar la flora y la fauna de Australia.
En este viaje, Cook tuvo contacto con originarios del lugar, que eran de carácter pacífico.
Una vez que se realizaron las reparaciones, se continuó con el viaje, pasando por el punto más nórdico de la península Cabo York, y luego navegaron a través del estrecho de Torres, entre Australia y Papúa Nueva Guinea, que había sido navegado por Luis Váez de Torres en 1604.
Hasta este momento de la travesía, Cook no había perdido ningún hombre a causa del escorbuto; un logro destacable y prácticamente desconocido en los viajes de larga distancia por mar durante el siglo XVIII. Cook obligaba a su tripulación a comer cítricos y chucrut, aunque todavía nadie entendía las razones por las que ingerir estos alimentos prevenía el escorbuto. Luego navegó hacia Batavia, la capital de las Indias Orientales Holandesas, por reparaciones. Batavia era conocida por sus brotes de malaria, y, antes que retornaran, gran parte de la tripulación de Cook sucumbió a esta enfermedad y a otras como la disentería; entre ellos el tahitiano Tupaia, el secretario finés de Banks, el científico finés Herman Spöring, el astrónomo Charles Green y el ilustrador Sydney Parkinson. La isla Spöring fue bautizada así por Cook en honor a Herman Spöning y a su trabajo durante el viaje.
El HMB Endeavour, el barco del primer viaje, luego daría su nombre al transbordador espacial Endeavour y al río Endeavour.
Los diarios de Cook fueron publicados a su regreso, con lo que se convirtió en una especie de héroe entre la comunidad científica. Sin embargo, entre el público en general, el botánico Joseph Banks fue un héroe más grande. Banks finalmente intentó tomar el mando del segundo viaje de Cook, pero desistió del viaje antes que éste comenzara.
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