Co to jest jednostka astronomiczna?

Gdy chodzi o zajmowanie się kosmosem, my ludzie lubimy ujmować sprawy w znane nam terminy. Kiedy badamy egzoplanety, klasyfikujemy je na podstawie ich podobieństwa do planet w naszym Układzie Słonecznym – tj. planety ziemskie, gazowe olbrzymy, planety wielkości Ziemi, Jowisza, Neptuna itd. I kiedy mierzymy odległości astronomiczne, robimy to samo.

Na przykład, jeden z najczęściej używanych sposobów mierzenia odległości w przestrzeni kosmicznej jest znany jako Jednostka Astronomiczna (AU). Oparta na odległości między Ziemią a Słońcem, jednostka ta pozwala astronomom scharakteryzować ogromne odległości między planetami słonecznymi a Słońcem oraz między planetami pozasłonecznymi a ich gwiazdami.

Definicja:

Zgodnie z obecną konwencją astronomiczną, pojedyncza Jednostka Astronomiczna jest równoważna 149 597 870,7 kilometrom (lub 92 955 807 milom). Jest to jednak średnia odległość między Ziemią a Słońcem, ponieważ odległość ta podlega zmianom podczas okresu orbitalnego Ziemi. Innymi słowy, odległość między Ziemią a Słońcem zmienia się w ciągu jednego roku.

W ciągu roku Ziemia przechodzi z odległości 147 095 000 km (91 401 000 mi) od Słońca w peryhelium (najbliższy punkt) do 152 100 000 km (94 500 000 mi) w aphelium (najdalszy punkt) – lub z odległości 0.983 AUs do 1,016 AUs.

Historia rozwoju:

Najwcześniejszy zarejestrowany przykład astronomów szacujących odległość między Ziemią a Słońcem pochodzi z klasycznej starożytności. W pracy z III wieku p.n.e. „O rozmiarach i odległościach Słońca i Księżyca”, której autorstwo przypisuje się greckiemu matematykowi Arystarchowi z Samos, odległość tę oszacowano na 18 do 20 razy większą od odległości między Ziemią a Księżycem.

Jednakże współczesny mu Archimedes w swojej pracy „Sandreckoner” z III wieku p.n.e. również twierdził, że Arystarch z Samos umieścił odległość 10 000 razy większą od promienia Ziemi. W zależności od wartości dla obu zestawów szacunków, Aristarchus był wyłączony o czynnik około 2 (w przypadku promienia Ziemi) do 20 (odległość między Ziemią a Księżycem).

Najstarszy chiński tekst matematyczny – traktat z I wieku p.n.e. znany jako Zhoubi Suanjing – również zawiera szacunek odległości między Ziemią a Słońcem. Według anonimowego traktatu, odległość tę można było obliczyć poprzez przeprowadzenie geometrycznych pomiarów długości cieni tworzonych w południe przez obiekty rozmieszczone w określonych odległościach. Obliczenia te opierały się jednak na założeniu, że Ziemia jest płaska.

Sławny matematyk i astronom Ptolemeusz z II w. n.e. oparł się na obliczeniach trygonometrycznych, uzyskując szacunkową odległość równą 1210-krotności promienia Ziemi. Korzystając z zapisów zaćmień Księżyca, oszacował pozorną średnicę Księżyca, a także pozorną średnicę stożka cienia Ziemi przechodzącego przez Księżyc podczas zaćmienia.

Korzystając z paralaksy Księżyca, obliczył również pozorne rozmiary Słońca i Księżyca i doszedł do wniosku, że średnica Słońca była równa średnicy Księżyca, gdy ten znajdował się w największej odległości od Ziemi. Na tej podstawie Ptolemeusz doszedł do wniosku, że stosunek odległości Słońca do Księżyca wynosi około 19 do 1, czyli tyle samo, ile wyliczył Arystarch.

Przez następne tysiąc lat szacunki Ptolemeusza dotyczące odległości Ziemia-Słońce (podobnie jak większość jego nauk astronomicznych) pozostawały kanonem wśród średniowiecznych astronomów europejskich i islamskich. Dopiero w XVII wieku astronomowie zaczęli ponownie rozważać i weryfikować jego obliczenia.

Stało się to możliwe dzięki wynalezieniu teleskopu, a także dzięki trzem prawom ruchu planetarnego Keplera, które pomogły astronomom obliczyć względne odległości między planetami a Słońcem z większą dokładnością. Mierząc odległość między Ziemią a innymi planetami Układu Słonecznego, astronomowie byli w stanie przeprowadzić pomiary paralaksy, aby uzyskać dokładniejsze wartości.

Do XIX wieku, wyznaczenie prędkości światła i stałej aberracji światła zaowocowało pierwszym bezpośrednim pomiarem odległości Ziemia-Słońce w kilometrach. W 1903 r. po raz pierwszy użyto terminu „jednostka astronomiczna”. Przez cały XX wiek pomiary stawały się coraz bardziej precyzyjne i wyrafinowane, częściowo dzięki dokładnym obserwacjom efektów teorii względności Einsteina.

Współczesne zastosowanie:

W latach 60. XX wieku rozwój bezpośrednich pomiarów radarowych, telemetrii oraz eksploracja Układu Słonecznego za pomocą sond kosmicznych doprowadziły do precyzyjnych pomiarów pozycji planet wewnętrznych i innych obiektów. W 1976 r. Międzynarodowa Unia Astronomiczna (IAU) przyjęła nową definicję podczas swojego 16 Zgromadzenia Ogólnego. Jako część ich Systemu Stałych Astronomicznych, nowa definicja stwierdzała:

„Astronomiczną jednostką długości jest ta długość (A), dla której gaussowska stała grawitacyjna (k) przyjmuje wartość 0,01720209895, gdy jednostkami miary są astronomiczne jednostki długości, masy i czasu. Wymiary k² są takie jak stałej grawitacji (G), czyli L³M-1T-2. Termin „odległość jednostkowa” jest również używany dla długości A.”

W odpowiedzi na rozwój hiperprecyzyjnych pomiarów, Międzynarodowy Komitet Miar i Wag (CIPM) postanowił zmodyfikować Międzynarodowy Układ Jednostek Miar (SI) w 1983 roku. Konsekwentnie z tym, ponownie zdefiniowali metr, aby był mierzony w kategoriach prędkości światła w próżni.

Do 2012 roku IAU uznała jednak, że zrównanie względności czyni pomiar AU zbyt skomplikowanym i przedefiniowała jednostkę astronomiczną w kategoriach metrów. Zgodnie z tym, pojedynczy AU jest równy 149597870,7 km dokładnie (92,955807 mln mil), 499 sekund świetlnych, 4,8481368×10-6 parseków lub 15,812507×10-6 lat świetlnych.

Dziś, AU jest powszechnie używany do pomiaru odległości i tworzenia modeli numerycznych dla Układu Słonecznego. Jest również używany podczas pomiaru systemów pozasłonecznych, obliczania zasięgu obłoków protoplanetarnych lub odległości między planetami pozasłonecznymi a ich gwiazdą macierzystą. Przy pomiarach odległości międzygwiazdowych jednostki AU są zbyt małe, by można było je wygodnie mierzyć. W związku z tym, inne jednostki – takie jak parsek i rok świetlny – są stosowane.

Wszechświat jest ogromnym miejscem, a pomiar nawet naszego małego zakątka daje zdumiewające wyniki. Ale jak zawsze, wolimy wyrażać je w sposób, który jest tak relatywny i znajomy.

Pisaliśmy wiele ciekawych artykułów o odległościach w Układzie Słonecznym tutaj w Universe Today. Oto jak daleko są planety od Słońca?, Jak daleko jest Merkury od Słońca?, Jak daleko jest Wenus od Słońca?, Jak daleko jest Ziemia od Słońca?, Jak daleko jest Mars od Słońca?, Jak daleko jest Jowisz od Słońca?, Jak daleko jest Saturn od Słońca?, Jak daleko jest Uran od Słońca? Jak daleko jest Neptun od Słońca?, Jak daleko jest Pluton od Słońca?

Jeśli chciałbyś uzyskać więcej informacji o orbicie Ziemi, sprawdź stronę NASA poświęconą eksploracji Układu Słonecznego.

Nagraliśmy również odcinek Astronomy Cast poświęcony pomiarom odległości w astronomii. Posłuchaj tutaj, Odcinek 10: Mierzenie odległości we Wszechświecie.