När det kommer till att hantera kosmos gillar vi människor att soffa saker i välbekanta termer. När vi undersöker exoplaneter klassificerar vi dem baserat på deras likheter med planeterna i vårt eget solsystem – dvs. terrestra, gasjätte, jordstorlek, Jupiterstor, Neptunusstor, etc. Och när vi mäter astronomiska avstånd gör vi mycket samma.
Till exempel är ett av de vanligaste sätten att mäta avstånd över rymden känt som en Astronomisk enhet (AU). Baserat på avståndet mellan jorden och solen, tillåter denna enhet astronomer att karakterisera de stora avstånden mellan solplaneterna och solen, och mellan planeter utanför solen och deras stjärnor.
Definition:
Enligt den nuvarande astronomiska konventionen motsvarar en enda astronomisk enhet 149 597 870,7 kilometer (eller 92 955 807 miles). Detta är dock det genomsnittliga avståndet mellan jorden och solen, eftersom det avståndet är föremål för variation under jordens omloppsperiod. Med andra ord, avståndet mellan Jorden och solen varierar under ett enstaka år.
Jordens omloppsbana runt solen, visar dess genomsnittliga avstånd (eller 1 AU). Kredit: Huritisho/Wikipedia Commons
Under loppet av ett år går jorden från ett avstånd på 147 095 000 km (91 401 000 mi) från solen vid perihelion (dess närmaste punkt) till 152 100 000 km (94 500 000 mi) vid aphelium (dess längsta avstånd på 3 – 0). AUs till 1,016 AUs.
Utvecklingshistoria:
Det tidigaste registrerade exemplet på astronomer som uppskattar avståndet mellan jorden och solen går tillbaka till den klassiska antiken. Arbete på 300-talet f.Kr. Om solens och månens storlekar och avstånd – som tillskrivs den grekiske matematikern Aristarchus från Samos – avståndet uppskattades vara mellan 18 och 20 gånger avståndet mellan Jorden och månen .
Men hans samtida Archimedes, i sitt 3:e århundrade f.Kr. arbete Sandrekoner ,hävdade också att Aristarchus från Samos placerade avståndet på 10 000 gånger jordens radie. Beroende på värdena för endera uppsättningen av uppskattningar, var Aristarchus avstängd med en faktor på cirka 2 (i fallet med jordens radie) till 20 (avståndet mellan jorden och månen).
Den äldsta kinesiska matematiska texten – 1:a århundradet f.Kr. avhandling känd somZhoubi Suanjing– innehåller också en uppskattning av avståndet mellan jorden och solen. Enligt den anonyma avhandlingen kunde avståndet beräknas genom att utföra geometriska mätningar av längden på middagsskuggor skapade av objekt placerade på specifika avstånd. Men beräkningarna baserades på tanken att jorden var platt.
Illustration av den ptolemaiska geocentriska uppfattningen av universum, av Bartolomeu Velho (?-1568), från hans verk Cosmographia, tillverkad i Frankrike, 1568. Kredit: Bibilotèque nationale de France, Paris
Den berömda matematikern och astronomen Ptolemaios från 200-talet CE förlitade sig på trigonometriska beräkningar för att komma fram till en avståndsuppskattning som motsvarade 1210 gånger jordens radie. Med hjälp av registreringar av månförmörkelser uppskattade han månens skenbara diameter, såväl som den skenbara diametern på jordens skuggkon som genomkorsas av månen under en månförmörkelse.
Med hjälp av månens parallax beräknade han också de skenbara storlekarna på solen och månen och drog slutsatsen att solens diameter var lika med månens diameter när den senare var på sitt största avstånd från jorden. Från detta kom Ptolemaios fram till ett förhållande mellan sol- och månavstånd på ungefär 19 till 1, samma siffra som härleddes av Aristarchus.
Under de kommande tusen åren skulle Ptolemaios uppskattningar av avståndet jord-sol (ungefär som de flesta av hans astronomiska läror) förbli kanon bland medeltida europeiska och islamiska astronomer. Det var inte förrän på 1600-talet som astronomerna började ompröva och revidera hans beräkningar.
Detta möjliggjordes tack vare uppfinningen av teleskopet, liksom Keplers tre lagar för planetarisk rörelse , 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 astronomer utföra parallaxmätningar för att få mer exakta värden.
Med parallaxteknik observerar astronomer objekt i motsatta ändar av jordens omloppsbana runt solen för att exakt mäta dess avstånd. Kredit: Alexandra Angelich, NRAO/AUI/NSF.
På 1800-talet resulterade bestämningar av ungefär ljusets hastighet och konstanten för ljusets aberration i den första direkta mätningen av avståndet jord-sol i kilometer. År 1903 kom termen 'astronomisk enhet' att 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 .
Modern användning:
På 1960-talet ledde utvecklingen av direkta radarmätningar, telemetri och utforskningen av solsystemet med rymdsonder till exakta mätningar av positionerna för de inre planeterna och andra objekt. 1976 antog International Astronomical Union (IAU) en ny definition under sin 16:e generalförsamlingen . Som en del av deras System av astronomiska konstanter , den nya definitionen angav:
'Den astronomiska längdenheten är den längd (A) för vilken den gaussiska gravitationskonstanten (k) tar värdet 0,01720209895 när måttenheterna är de astronomiska enheterna för längd, massa och tid. Dimensionerna på k² är de för gravitationskonstanten (G), dvs. L³M-1T-2. Termen 'enhetsavstånd' används också för längden A.'
Som svar på utvecklingen av hyperexakta mätningar, Internationella kommittén för vikter och mått (CIPM) beslutade att ändra den Internationellt enhetssystem (SI) 1983. I enlighet med detta omdefinierade de mätaren som skulle mätas i termer av ljusets hastighet i vakuum.
Infografik som jämför planetens omloppsbana runt Proxima Centauri (Proxima b) med samma region i solsystemet. Kredit: ESO
Men senast 2012 fastställde IAU att relativitetsutjämningen gjorde mätningen av AU för komplex, 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, 4,8481368×10-6av en parsec, eller 15,812507×10-6av ett ljusår.
Idag används AU vanligt för att mäta avstånd och skapa numeriska modeller för solsystemet. Det används också när man mäter extrasolsystem, beräknar omfattningen av protoplanetära moln eller avståndet mellan extrasolplaneter och deras moderstjärna. När man mäter interstellära avstånd är AU:er för små för att erbjuda bekväma mätningar. Som sådana förlitar man sig på andra enheter – som parsec och ljusår –.
Universum är en enorm plats, och att mäta till och med vårt lilla hörn av det ger några häpnadsväckande resultat. Men som alltid föredrar vi att uttrycka dem på sätt som är lika relaterbara och välbekanta.
Vi har skrivit många intressanta artiklar om avstånd i solsystemet här på Universe Today. Här är 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 bana, kolla in NASA:s solsystemutforskning sida.
Vi har också spelat in ett avsnitt av Astronomy Cast dedikerat till mätning av avstånd inom astronomi. Lyssna nu, Avsnitt 10: Measuring Distance in the Universe .
Källor: