Vad är en astronomisk enhet?

När det gäller kosmos gillar vi människor att använda oss av bekanta termer. När vi undersöker exoplaneter klassificerar vi dem utifrån deras likheter med planeterna i vårt eget solsystem – dvs. jordiska planeter, gasjättar, jordstora planeter, Jupiterstora planeter, Neptunstora planeter osv. När vi mäter astronomiska avstånd gör vi ungefär samma sak.

En av de vanligaste metoderna för att mäta avstånd i rymden är till exempel den så kallade astronomiska enheten (AU). Denna enhet är baserad på avståndet mellan jorden och solen och gör det möjligt för astronomer att karakterisera de enorma avstånden mellan solplaneterna och solen och mellan extrasolära planeter och deras stjärnor.

Definition:

Enligt den nuvarande astronomiska konventionen motsvarar en enda astronomisk enhet 149 597 870,7 kilometer (eller 92 955 807 mil). Detta är dock det genomsnittliga avståndet mellan jorden och solen, eftersom detta avstånd är föremål för variation under jordens omloppstid. Med andra ord varierar avståndet mellan jorden och solen under ett enda år.

Under loppet av ett år går jorden från ett avstånd på 147 095 000 km från solen vid perihelium (den närmaste punkten) till 152 100 000 km vid afelium (den längst bort) – eller från ett avstånd på 0.983 AUs till 1,016 AUs.

Historia om utvecklingen:

Det tidigaste nedtecknade exemplet på astronomer som uppskattade avståndet mellan jorden och solen går tillbaka till den klassiska antiken. I det tredje århundradet f.v.t. verket On the Sizes and Distances of the Sun and Moon – som tillskrivs den grekiske matematikern Aristarchus av Samos – uppskattades avståndet till mellan 18 och 20 gånger avståndet mellan jorden och månen.

Hur som helst hävdade hans samtida Archimedes i sitt verk Sandreckoner från det tredje århundradet f.v.t. att Aristarchus av Samos placerade avståndet till 10 000 gånger jordens radie. Beroende på värdena för båda uppsättningarna av uppskattningar låg Aristarchus fel med en faktor på ungefär 2 (när det gäller jordens radie) till 20 (avståndet mellan jorden och månen).

Den äldsta kinesiska matematiska texten – den första århundradet före Kristus, en avhandling som är känd som Zhoubi Suanjing – innehåller också en uppskattning av avståndet mellan jorden och solen. Enligt den anonyma avhandlingen kan avståndet beräknas genom att utföra geometriska mätningar av längden på de skuggor vid middagstid som skapas av föremål som befinner sig på bestämda avstånd. Beräkningarna byggde dock på idén att jorden var platt.

Den berömde matematikern och astronomen Ptolemaios från 200-talet förlitade sig på trigonometriska beräkningar för att komma fram till en avståndsberäkning som motsvarade 1210 gånger jordens radie. Med hjälp av uppgifter om månförmörkelser uppskattade han månens skenbara diameter, liksom den skenbara diametern på den skuggkon som månen genomkorsar jorden under en månförmörkelse.

Med hjälp av månens parallax beräknade han också solens och månens skenbara storlekar och drog slutsatsen att solens diameter var lika stor som månens när den sistnämnda befann sig på sitt största avstånd från jorden. Utifrån detta kom Ptolemaios fram till ett förhållande mellan solens och månens avstånd på ungefär 19 till 1, samma siffra som Aristarkos kom fram till.

Under de kommande tusen åren skulle Ptolemaios uppskattningar av avståndet mellan jorden och solen (i likhet med de flesta av hans astronomiska läror) förbli kanoniska bland medeltida europeiska och islamiska astronomer. Det var inte förrän på 1600-talet som astronomer började ompröva och revidera hans beräkningar.

Detta möjliggjordes tack vare teleskopets uppfinning samt Keplers tre lagar för planetrörelse, som hjälpte astronomer att beräkna de relativa avstånden mellan planeterna och solen med större noggrannhet. Genom att mäta avståndet mellan jorden och de andra solplaneterna kunde astronomerna utföra parallaxmätningar för att få mer exakta värden.

Under 1800-talet resulterade bestämningar av ljusets hastighet och konstanten för ljusets aberration i den första direkta mätningen av avståndet mellan jorden och solen i kilometer. År 1903 började termen ”astronomisk enhet” användas för första gången. Och under hela 1900-talet blev mätningarna alltmer exakta och sofistikerade, delvis tack vare noggranna observationer av effekterna av Einsteins relativitetsteori.

Moderna användningsområden:

På 1960-talet ledde utvecklingen av direkta radarmätningar, telemetri och utforskningen av solsystemet med rymdsonder till exakta mätningar av de inre planeternas och andra objekts positioner. År 1976 antog Internationella astronomiska unionen (IAU) en ny definition under sin 16:e generalförsamling. Som en del av deras system av astronomiska konstanter angavs i den nya definitionen:

”Den astronomiska längdenheten är den längd (A) för vilken den Gaussiska gravitationskonstanten (k) antar värdet 0,01720209895 när måttenheterna är de astronomiska enheterna för längd, massa och tid. Dimensionerna för k² är samma som för gravitationskonstanten (G), dvs. L³M-1T-2. Termen ”avståndsenhet” används också för längden A.”

Som svar på utvecklingen av hyperprecisa mätningar beslutade Internationella kommittén för mått och vikt (CIPM) 1983 att ändra det internationella enhetssystemet (SI). I enlighet med detta omdefinierade de metern till att mätas i termer av ljusets hastighet i vakuum.

Hur som helst, år 2012 fastställde IAU att relativitetens utjämning gjorde mätningen av AU för komplicerad, och omdefinierade den astronomiska enheten i termer av meter. I enlighet med detta är en enda AU lika med 149597870,7 km exakt (92,955807 miljoner miles), 499 ljussekunder, 4,8481368×10-6 av en parsec eller 15,812507×10-6 av ett ljusår.

I dag används AU vanligen för att mäta avstånd och skapa numeriska modeller för solsystemet. Det används också när man mäter extrasolära system, beräknar utbredningen av protoplanetära moln eller avståndet mellan extrasolära planeter och deras moderstjärna. Vid mätning av interstellära avstånd är AU för litet för att ge praktiska mätningar. Därför använder man sig av andra enheter, t.ex. parsec och ljusår.

Universum är en enorm plats, och att mäta även vårt lilla hörn av det ger häpnadsväckande resultat. Men som alltid föredrar vi att uttrycka dem på ett sätt som är lika relaterbart och bekant.

Vi har skrivit många intressanta artiklar om avstånd i solsystemet här på Universe Today. Här finns Hur långt är planeterna från solen, Hur långt är Merkurius från solen, Hur långt är Venus från solen, Hur långt är jorden från solen, Hur långt är Mars från solen, Hur långt är Jupiter från solen, Hur långt är Saturnus från solen, Hur långt är Uranus från solen, Hur långt är Neptunus från solen?, Hur långt är Pluto från solen?

Om du vill ha mer information om jordens omloppsbana kan du kolla in NASA:s sida om utforskning av solsystemet.

Vi har också spelat in ett avsnitt av Astronomy Cast som handlar om avståndsmätning inom astronomin. Lyssna här, avsnitt 10: Att mäta avstånd i universum.