Khi đương đầu với vũ trụ, con người thích diễn đạt các thứ theo những thuật ngữ quen thuộc. Khi khảo sát các ngoại hành tinh, chúng ta phân loại chúng dựa trên các tương đồng của chúng với các hành tinh thuộc Hệ Mặt Trời của chúng ta – tức là hành tinh đá, hành tinh khí khổng lồ, hành tinh cỡ Trái Đất, hành tinh cỡ Mộc tinh, cỡ Hải Vương tinh, vân vân. Và khi đo các khoảng cách thiên văn học, chúng ta thật sự làm y hệt.
Chẳng hạn, một trong những phương tiện được sử dụng nhiều nhất để đo khoảng cách trong không gian được gọi là Đơn vị Thiên văn (AU). Dựa trên khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời, đơn vị này cho phép các nhà thiên văn đặc trưng hóa khoảng cách mênh mông giữa các hành tinh thuộc Hệ Mặt Trời và Mặt Trời, và giữa các hành tinh ngoài hệ mặt trời với ngôi sao của chúng.
Định nghĩa
Theo quy ước thiên văn học hiện nay, một Đơn vị Thiên văn tương đương với 149.597.870 km (hay 92.955.807 dặm). Tuy nhiên, con số này là khoảng cách trung bình giữa Trái Đất và Mặt Trời, vì khoảng cách ấy biến thiên trong suốt chu kì quỹ đạo của Trái Đất. Nói cách khác, khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời biến thiên trong hành trình của năm.
Trong tiến trình của năm, Trái Đất đi từ chỗ cách Mặt Trời 147.095.000 km (91.401.000 dặm) tại điểm cận nhật (điểm gần Mặt Trời nhất) đến khoảng cách 152.100.000 km (94.500.000 dặm) tại điểm viễn nhật (điểm xa Mặt Trời nhất) – hay từ khoảng cách 0,983 AU đến 1,016 AU.
Lịch sử phát triển
Thí dụ được ghi chép sớm nhất của các nhà thiên văn ước tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời có từ thời Cổ xưa. Trong tác phẩm vào thế kỉ thứ ba trước Công nguyên, Về kích cỡ và khoảng cách của Mặt Trời và Mặt Trăng – mà người ta cho là của nhà toán học Hi Lạp Aristarchus xứ Samos – khoảng cách trên được ước tính là từ 18 đến 20 lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng.
Tuy nhiên, người đương thời của ông, Archimedes, trong tác phẩm Người đếm cát vào thế kỉ thứ ba trước Công nguyên của ông, cũng khẳng định rằng Aristarchus xứ Samos ước tính khoảng cách ấy bằng 10.000 lần bán kính Trái Đất. Tùy thuộc căn cứ dữ liệu, giá trị ước tính của Aristarchus sai lệch từ khoảng 2 lần (trong trường hợp bán kính Trái Đất) đến khoảng 20 lần (khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng).
Văn tự toán học Trung Hoa xưa nhất – một chuyên luận vào thế kỉ thứ nhất trước Công nguyên gọi là Zhoubi Suanjing – cũng có chứa một ước tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời. Theo chuyên luận vô danh này, khoảng cách trên có thể tính được bằng cách tiến hành các đo đạc hình học của chiều dài bóng đổ lúc giữa ngọ của một vật đặt ở một khoảng cách nhất định. Tuy nhiên, các tính toán trên được xây dựng trên quan niệm rằng Trái Đất là phẳng.
Nhà toán học và nhà thiên văn học nổi tiếng thế kỉ thứ hai Ptolemy dựa trên các phép tính lượng giác đi tới một ước tính khoảng cách tương đương 1210 lần bán kính Trái Đất. Sử dụng các bản ghi chép nguyệt thực, ông ước tính đường kính biểu kiến của Mặt Trăng, cùng với đường kính biểu kiến của cái bóng hình nón của Trái Đất quét ngang bởi Mặt Trăng trong một lần nguyệt thực.
Sử dụng thị sai của Mặt Trăng, ông còn tính được kích cỡ biểu kiến của Mặt Trời và Mặt Trăng, và kết luận rằng đường kính của Mặt Trời bằng đường kính của Mặt Trăng khi Mặt Trăng nằm tại điểm xa Trái Đất nhất. Từ đây, Ptolemy đi tới một tỉ số của khoảng cách đến Mặt Trời và Mặt Trăng xấp xỉ 19 trên 1, giống con số mà Aristarchus đã suy luận ra.
Trong hàng nghìn năm sau đó, các ước tính Ptolemy của khoảng cách Trái Đất- Mặt Trời (cùng với các quan điểm thiên văn học của ông) vẫn được lưu truyền rộng khắp trong cộng đồng châu Âu Trung cổ và Hồi giáo. Mãi cho đến thế kỉ 17 thì các nhà thiên văn mới bắt đầu xét lại và hiệu chỉnh các tính toán của ông.
Điều này xảy ra là nhờ phát minh kính thiên văn, cùng với Ba định luật Kepler của Chuyển động Hành tinh, giúp các nhà thiên văn tính được khoảng cách tương đối giữa các hành tinh và Mặt Trời với độ chính xác cao hơn. Bằng cách đo khoảng cách giữa Trái Đất và các hành tinh khác thuộc hệ mặt trời, các nhà thiên văn đã có thể tiến hành các phép đo thị sai để thu được những giá trị chính xác hơn.
Vào thế kỉ 19, các xác định tốc độ ánh sáng và hằng số quang sai của ánh sáng đã mang lại phép đo trực tiếp đầu tiên của khoảng cách Trái Đất- Mặt Trời theo km. Năm 1903, thuật ngữ “đơn vị thiên văn” được sử dụng lần đầu tiên. Và xuyên suốt thế kỉ 20, các phép đo trở nên chính xác hơn và phức tạp hơn, một phần nhờ các quan sát chính xác của các hiệu ứng của Thuyết tương đối Einstein.
Cách dùng hiện đại
Vào thập niên 1960, sự phát triển của các phép đo radar trực tiếp, đo đạc từ xa, và sự thám hiểm Hệ Mặt trời bằng các phi thuyền vũ trụ đã đưa đến những phép đo chính xác vị trí của các hành tinh nhóm trong và các vật thể khác. Năm 1976, Hiệp hội Thiên văn Quốc tế (AIU) phê chuẩn một định nghĩa mới trong Hội nghị Toàn thể Lần thứ 16. Là bộ phận của Hệ thống Hằng số Thiên văn học của họ, định nghĩa mới phát biểu như sau:
“Đơn vị thiên văn của chiều dài là độ dài (A) mà hằng số hấp dẫn Gaussian (k) nhận giá trị 0,01720209895 khi các đơn vị đo là đơn vị thiên văn của chiều dài, khối lượng và thời gian. Thứ nguyên của k2 là thứ nguyên của hằng số hấp dẫn (G), tức là L3M-1T-2. Thuật ngữ “khoảng cách đơn vị” cũng được dùng cho độ dài A.”
Trước sự phát triển của các phép đo siêu chính xác, Ủy ban Cân Đo Quốc tế (CIPM) đã quyết định sửa đổi Hệ Đơn vị Quốc tế (SI) vào năm 1983. Để cho khớp, họ định nghĩa lại mét đo theo tốc độ ánh sáng trong chân không.
Tuy nhiên, vào năm 2012, IAU nhận thấy việc làm cân bằng thuyết tương đối làm cho phép đo AU quá phức tạp, và đã định nghĩa lại đơn vị thiên văn theo mét. Theo định nghĩa này, một AU chính xác bằng 149597870,7 km (92,955807 triệu dặm), 499 giây ánh sáng, 4,8481368.10-3 parsec, hay 15,812507.10-6 năm ánh sáng.
Ngày nay, AU thường được dùng để đo khoảng cách và sáng tạo các mô hình số cho Hệ Mặt trời. Nó cũng được dùng khi đo các hệ thống ngoài hệ mặt trời, tính toán phạm vi của các đám mây tiền hành tinh hay khoảng cách giữa các ngoại hành tinh và ngôi sao bố mẹ của chúng. Khi đo khoảng cách giữa các sao, AU là quá nhỏ nên không tiện. Lúc ấy, những đơn vị khác – ví dụ parsec và năm ánh sáng – được sử dụng thay thế.
Nguồn: Universe Today
