Mikä on tähtitieteellinen yksikkö?

Kosmosta käsitellessämme me ihmiset tykkäämme käyttää tuttuja termejä. Tutkiessamme eksoplaneettoja luokittelemme ne sen perusteella, ovatko ne samankaltaisia kuin oman aurinkokuntamme planeetat – eli maanpäällisiä, kaasujättiläisiä, Maan kokoisia, Jupiterin kokoisia, Neptunuksen kokoisia jne. Ja kun mittaamme tähtitieteellisiä etäisyyksiä, teemme pitkälti samoin.

Esimerkiksi yksi yleisimmin käytetyistä keinoista mitata etäisyyksiä avaruudessa tunnetaan nimellä astronominen yksikkö (AU). Tämä yksikkö perustuu Maan ja Auringon väliseen etäisyyteen, ja sen avulla tähtitieteilijät voivat luonnehtia valtavia etäisyyksiä Auringon planeettojen ja Auringon välillä sekä aurinkokunnan ulkopuolisten planeettojen ja niiden tähtien välillä.

Määritelmä:

Nykymuotoisen tähtitieteellisen sopimuksen mukaan yksi tähtitieteellinen yksikkö (AU, Astronomical Unit, AU) vastaa 149 597 870,7 kilometrin pituista etäisyyttä (tai 92 955 807 mailia). Tämä on kuitenkin keskimääräinen etäisyys Maan ja Auringon välillä, sillä etäisyys vaihtelee Maan kiertoradan aikana. Toisin sanoen Maan ja Auringon välinen etäisyys vaihtelee yhden vuoden aikana.

Vuoden aikana Maa kulkee 147 095 000 km:n etäisyydeltä Auringosta perihelissä (sen lähimmässä pisteessä) 152 100 000 km:n etäisyydelle aphelissa (sen kaukaisimmassa pisteessä) – tai 0.983 AU:n etäisyydestä 1,016 AU:n etäisyyteen.

Kehityshistoria:

Varhaisin kirjattu esimerkki tähtitieteilijöistä, jotka arvioivat Maan ja Auringon välisen etäisyyden, juontaa juurensa klassiseen antiikin aikaan. 3. vuosisadalla eaa. julkaistussa teoksessa On the Sizes and Distances of the Sun and Moon (Auringon ja Kuun koosta ja etäisyyksistä) – joka liitetään kreikkalaiselle matemaatikolle Aristarkhos Samoslaiselle – etäisyyden arvioitiin olevan 18-20 kertaa Maan ja Kuun välinen etäisyys.

Hänen aikalaisensa Arkhimedes väitti 3. vuosisadalla eaa. julkaistussa teoksessaan Sandreckoner myös, että Aristarkhos Samoslainen asetti etäisyyden 10 000-kertaiseksi maapallon säteeseen nähden. Riippuen kumman tahansa arvion arvoista, Aristarkhos erehtyi noin 2-kertaisesti (Maan säteen tapauksessa) tai 20-kertaisesti (Maan ja Kuun välinen etäisyys).

Kiinan vanhimmassa matemaattisessa tekstissä – 1. vuosisadalla eaa. ilmestyneessä tutkielmassa, joka tunnetaan nimellä Zhoubi Suanjing – on niin ikään arvio Maan ja Auringon välisestä etäisyydestä. Nimettömän traktaatin mukaan etäisyys voitiin laskea tekemällä geometrisia mittauksia tietyillä etäisyyksillä sijaitsevien esineiden luomien keskipäivän varjojen pituudesta. Laskelmat perustuivat kuitenkin ajatukseen, että maapallo oli litteä.

Kuuluisa 2. vuosisadan jKr. matemaatikko ja tähtitieteilijä Ptolemaios tukeutui trigonometrisiin laskutoimituksiin keksiessään etäisyysarvion, joka vastasi 1210 kertaa maapallon sädettä. Kuunpimennyksiä koskevien tietojen avulla hän arvioi Kuun näennäisen halkaisijan sekä Kuun kuljettaman Maan varjokartion näennäisen halkaisijan kuunpimennyksen aikana.

Käyttäen Kuun parallaksia hän laski myös Auringon ja Kuun näennäiset koot ja päätteli, että Auringon halkaisija oli yhtä suuri kuin Kuun halkaisija silloin, kun Kuu oli suurimmalla etäisyydellä Maasta. Tästä Ptolemaios päätyi Auringon ja Kuun etäisyyden suhteeseen noin 19:1, joka on sama luku, jonka Aristarkhos oli johtanut.

Seuraavien tuhansien vuosien ajan Ptolemaioksen arviot Maan ja Auringon välisestä etäisyydestä (kuten suurin osa hänen tähtitieteellisistä opetuksistaan) säilyivät kaanonina keskiajan eurooppalaisten ja islamilaisten tähtitieteilijöiden keskuudessa. Vasta 1600-luvulla tähtitieteilijät alkoivat harkita ja tarkistaa hänen laskelmiaan uudelleen.

Tämän mahdollisti kaukoputken keksiminen sekä Keplerin kolme planeettojen liikkeen lakia, jotka auttoivat tähtitieteilijöitä laskemaan planeettojen ja Auringon suhteelliset etäisyydet tarkemmin. Mittaamalla Maan ja muiden Auringon planeettojen välistä etäisyyttä tähtitieteilijät pystyivät suorittamaan parallaksimittauksia tarkempien arvojen saamiseksi.

Luvulla noin valon nopeuden ja valon aberraatiovakion määritykset johtivat ensimmäiseen suoraan Maan ja Auringon etäisyyden mittaamiseen kilometreinä. Vuonna 1903 alettiin käyttää ensimmäistä kertaa termiä ”tähtitieteellinen yksikkö”. Ja koko 1900-luvun ajan mittaukset muuttuivat yhä tarkemmiksi ja kehittyneemmiksi, osittain Einsteinin suhteellisuusteorian vaikutusten tarkkojen havaintojen ansiosta.

Nykyaikainen käyttö:

1960-luvulle tultaessa suorien tutkamittausten ja telemetrian kehittyminen sekä Aurinkokunnan tutkiminen avaruusluotaimilla johtivat tarkkoihin mittauksiin sisäisten planeettojen ja muiden objektien sijainnista. Vuonna 1976 Kansainvälinen tähtitieteellinen unioni (IAU) hyväksyi 16. yleiskokouksessaan uuden määritelmän. Osana tähtitieteellisten vakioiden järjestelmää uusi määritelmä kuului seuraavasti:

”Tähtitieteellinen pituusyksikkö on se pituus (A), jolle Gaussin gravitaatiovakio (k) saa arvon 0,01720209895, kun mittayksikköinä käytetään tähtitieteellisiä pituus-, massa- ja aikayksiköitä. K²:n mitat ovat gravitaatiovakion (G) mitat eli L³M-1T-2. Pituudesta A käytetään myös termiä ”yksikköetäisyys”.”

Vastatakseen hypertarkkojen mittausten kehittymiseen kansainvälinen paino- ja mittakomitea (CIPM) päätti vuonna 1983 muuttaa kansainvälistä mittayksikköjärjestelmää (SI). Tämän mukaisesti he määrittelivät metrin uudelleen mitattavaksi valon nopeuden mukaan tyhjiössä.

Vuoteen 2012 mennessä IAU kuitenkin totesi, että suhteellisuusteorian tasaus teki AU:n mittaamisesta liian monimutkaista, ja määritteli tähtitieteellisen yksikön uudelleen metreinä. Tämän mukaisesti yksi AU vastaa täsmälleen 149597870,7 kilometriä (92,955807 miljoonaa mailia), 499 valosekuntia, 4,8481368×10-6 parsekia tai 15,812507×10-6 valovuotta.

Tänä päivänä AU:ta käytetään yleisesti etäisyyksien mittaamiseen ja aurinkokunnan numeeristen mallien luomiseen. Sitä käytetään myös mitattaessa aurinkokunnan ulkopuolisia järjestelmiä, laskettaessa protoplanetaaristen pilvien laajuutta tai aurinkokunnan ulkopuolisten planeettojen ja niiden emotähden välistä etäisyyttä. Tähtienvälisiä etäisyyksiä mitattaessa AU:t ovat liian pieniä, jotta niitä voitaisiin mitata kätevästi. Siksi käytetään muita yksiköitä, kuten parsek ja valovuosi.

Maailmankaikkeus on valtava paikka, ja jopa pienen kulmamme mittaaminen tuottaa huikeita tuloksia. Mutta kuten aina, me ilmaisemme ne mieluummin tavoilla, jotka ovat yhtä ymmärrettäviä ja tuttuja.

Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita etäisyyksistä Aurinkokunnassa täällä Universe Todayssä. Tässä Kuinka kaukana planeetat ovat Auringosta?, Kuinka kaukana Merkurius on Auringosta?, Kuinka kaukana Venus on Auringosta?, Kuinka kaukana Maa on Auringosta?, Kuinka kaukana Mars on Auringosta?, Kuinka kaukana Jupiter on Auringosta?, Kuinka kaukana Saturnus on Auringosta? ja Kuinka kaukana Uranus on Auringosta?, Kuinka kaukana on Neptunus Auringosta?, Kuinka kaukana on Pluto Auringosta?

Jos haluat lisätietoa Maan kiertoradasta, tutustu NASA:n Aurinkokunnan tutkimus -sivuun.

Olemme myös nauhoittaneet Astronomy Castin jakson, joka on omistettu etäisyyksien mittaamiselle tähtitieteessä. Kuuntele tästä, jakso 10: Etäisyyksien mittaaminen maailmankaikkeudessa.