فاصله زمین تا خورشید
با واحد نجومی، یکی از بنیادی‌ترین و پرکاربردترین واحدهای اندازه‌گیری فاصله در علم اخترشناسی، آشنا شوید.
به گزارش دنده6 : اخترشناسان همواره از فاصله زمین تا خورشید یا «واحد نجومی» برای بیان فواصل در مقیاس‌های نسبتاً کوچک، خصوصاً درون منظومه شمسی، استفاده می‌کنند. اما اهمیت این فاصله فقط در این کاربرد خلاصه نمی‌شود. تقریباً تمام فواصل درون کهکشان راه شیری را می‌توان با استفاده از همین واحد سنجید. می‌توانیم ادعا کنیم فاصله ما تا خورشید پایه بسیاری از اندازه‌گیری‌های اساسی علم نجوم است.
مدار گردش زمین به دور خورشید بیضوی است؛ به همین دلیل فاصله ما تا ستاره میزبانمان همواره ثابت نیست. واحد نجومی اندازه‌گیری دقیقی نیست، بلکه میانگین کاربردی از این فاصله است. البته تعیین آن کار ساده‌ای نبوده.
اندازه‌گیری فاصله ما و خورشید سابقه دورودرازی دارد. در این مقاله، دقیق‌تر این فاصله و واحد نجومی را بررسی می‌کنیم. همچنین تاریخچه‌ای از اندازه‌گیری فاصله زمین و خورشید و نحوه انجام آن را توضیح می‌دهیم و به کاربردهای آن در اخترشناسی اشاره‌ای می‌کنیم.
فاصله زمین تا خورشید چند کیلومتر است؟
ما به‌طور تقریبی و میانگین در فاصله ۱۴۹میلیون و ۶۰۰ هزار کیلومتری یا ۹۳ میلیون مایلی خورشید قرار داریم. این فاصله چنان زیاد است که نور خورشید در مدت ۴۹۹ ثانیه یا ۸ دقیقه و ۱۹ ثانیه به ما می‌رسد.
همان‌طور که اشاره شد، مدار زمین دایره نیست؛ پس فاصله ما تا ستاره منظومه‌مان بسته به مکان زمین در مدارش، متفاوت است. بیشترین فاصله ما تا خورشید ۱۵۲میلیون و هزار کیلومتر و کمترین فاصله ۱۴۷ میلیون و هزار کیلومتر است.
بیشترین فاصله سیاره تا خورشید را «اوج» و کمترین فاصله را «حضیض» می‌نامند. زمین تقریباً ۲ هفته پس از انقلابین (آغاز تابستان و آغاز زمستان) به‌ترتیب در حضیض و اوج است؛ یعنی تقریباً ۱۳ تیر در دورترین نقطه مدار از خورشید و ۱۳ دی در نزدیک‌ترین نقطه مدار به آن هستیم.
(می‌توانید با جستجوی فاصله زمین تا خورشید در گوگل یا با استفاده از این لینک فاصله خورشید را در هر زمان بیابید؛ برای مثال، در لحظه نگارش این مقاله، اواخر تابستان، فاصله تقریبی زمین تا خورشید ۱۵۰ میلیون و ۴۶۰ هزار کیلومتر است.)
واحد نجومی
واحد نجومی یکی از مهم‌ترین واحدهایی است که ستاره‌شناسان در اندازه‌گیری‌ها و محاسبات خود به کار می‌برند. طبق تعریف اتحادیه بین‌المللی اخترشناسی (IAU) این واحد عبارت است از «فاصله تقریبی زمین-خورشید که استفاده آن در اخترشناسی ساده است» و آن را با حروف اختصاری au (با حروف کوچک؛ مخفف Astronomical Unit) نشان می‌دهند.
IAU در مجمع‌عمومی سال ۲۰۱۲، واحدِ نجومیِ فاصله را دقیقاً ۱۴۹ میلیارد و ۵۹۷ میلیون و ۸۷۰ هزار و ۷۰۰ متر تعیین کرد. سادگی این عدد در آن است که از مقیاس زمانی مورداستفاده مستقل است.
تا پیش‌ازآن، واحد نجومی واحد ثابتی نبود و با چندین عامل ارتباط داشت؛ برای مثال، اخترشناسان برای محاسبه واحد نجومی باید جرم خورشید را می‌دانستند اما این جرم همواره متغیر است؛ زیرا خورشید جرم خود را به انرژی تبدیل می‌کند. وابستگی دیگری با نظریه نسبیت عام آینشتین ارتباط داشت که می‌گوید فضا-زمان بسته به موقعیت بیننده متغیر است. در تعریف فعلی، فاصله بر مبنای سرعت نور در خلأ تعریف شده و ازآنجایی‌که این سرعت همواره ثابت است، واحد نجومی فاصله نیز ثابت می‌ماند.
(باید توجه کرد چیزی که عمدتاً و در این مقاله واحد نجومی می‌نامیم، به‌طور دقیق‌تر واحد نجومی فاصله است؛ زیرا IAU واحدهای نجومی دیگری نیز تعریف کرده است: واحد نجومی زمان یک روزِ ۸۶ هزار و ۴۰۰ ثانیه‌ای و واحد نجومی وزن برابر با وزن خورشید، ۱.۹۸۹۱x۱۰۳۰ کیلوگرم است.)
یکی از کاربردهای ساده واحد نجومی این است که به ما اجازه می‌دهد مدلی ساده از موقعیت سیارات منظومه شمسی در مقیاس دلخواه بسازیم، بدون آنکه نیاز به دانستن فواصل دقیق سیارات داشته باشیم. تنها چیزی که لازم است در این مدل رعایت کنیم، نسبت فواصل سیارات تا خورشید است. در جدول زیر، فاصله هر سیاره تا خورشید را طبق واحد نجومی می‌بینیم.
| سیاره | فاصله به واحد نجومی |
| عطارد | ۰.۳۹ |
| زهره | ۰.۷۲ |
| زمین | ۱.۰۰ |
| مریخ | ۱.۵۲ |
| مشتری | ۵.۲۰ |
| زحل | ۹.۵۴ |
| اورانوس | ۱۹.۲۰ |
| نپتون | ۳۰.۰۶ |
| پلوتو | ۳۹.۵ |
تاریخچه اندازه‌گیری فاصله زمین تا خورشید
اولین انسان شناخته‌شده‌ای که فاصله ما تا خورشید را اندازه‌گیری کرد، «آریستارخوسِ ساموسی» (Aristarchus of Samos)، اخترشناس یونانی، بود که حدوداً از ۳۱۰ تا ۲۳۰ پیش از میلاد می‌زیست. او از فازهای ماه استفاده کرد تا اندازه و فاصله خورشید و ماه را محاسبه کند.
فرض او بر این بود که وقتی ماه نیمه در آسمان ظاهر می‌شود، مرکز سیاره ما و مرکز ماه یک خط می‌سازند که زاویه آن با خطی که مرکز ماه را به مرکز خورشید متصل می‌کند، ۸۷ درجه است. آریستارخوس با استفاده از مثلثات توانست ضلع دیگر مثلثی را که بر این 2 خط رسم شده بود، محاسبه کند. اندازه این ضلع برابر بود با فاصله زمین و خورشید.
زاویه‌ای که آریستارخوس تنها با استفاده از چشم خود اندازه‌گیری کرده بود، در حقیقت ۸۹.۸۳ درجه است. بااینکه این خطا بزرگ نیست اما در فواصل نجومی اختلاف فراوانی ایجاد می‌کند. آریستارخوس فاصله خورشید را با خطایی بیش از هزار برابر محاسبه کرد.
هرچند اندازه‌گیری‌های آریستارخوس درست نبودند، توانست به فهمی ساده از فواصل و ابعاد ۳ جسم برسد که باعث شد نتیجه بگیرد زمین به دور خورشید می‌گردد. آریستارخوس اولین انسان شناخته‌شده‌ای است که هزار و ۷۰۰ سال پیش از مدل خورشیدمرکز کوپرنیک به این نتیجه رسید. اما از این نظریه استقبالی نشد.
تقریباً یک قرن بعد، در قرن دوم پیش از میلاد، اَبَرخُس یا هیپارخوس (Hipparchus)، اخترشناس یونانی که از سال ۱۹۰ تا ۱۲۰ پیش از میلاد می‌زیست، اولین بار توانست فاصله زمین تا ماه را با دقت ۷ درصد محاسبه کند. اساس کار ابرخس مشابه آریستارخوس بود. اما او توانست این روش را بهبود دهد و به چیزی تبدیل کند که «اختلاف منظر» یا «پارالاکس» (Parallax) نام دارد. پس از ابرخس، این روش تبدیل به مبنایی برای اندازه‌گیری فواصل اجرام آسمانی، ازجمله خورشید، شد.
وقتی اشیا از 2 زاویه متفاوت دیده شوند، جابه‌جایی ظاهری اشیا نزدیک‌تر بیشتر به نظر می‌رسد. می‌توانید به‌سادگی انگشت خود را جلو نگه دارید و به نوبت با یک چشم انگشتتان را ببینید. می‌بینید که انگشتتان بیشتر از اشیای پس‌زمینه جابه‌جا می‌شود؛ این اساس روش پارالاکس است.
بهبود مشاهدات در قرن‌های بعد خطای اندازه‌گیری فاصله خورشید را به سه تا چهار برابر فاصله واقعی کاهش داد. اما بالاخره سال ۱۶۵۳ مشخص شد استفاده از زهره برای محاسبه فاصله تا خورشید بسیار کارآمدتر است.
«کریستیان هویگنس» (Christiaan Huygens)، اخترشناس فرانسوی، اندازه سیاره زهره را حدس زد (حدسی که تصادفی درست بود) سپس فاصله زهره تا زمین را به دست آورد. او از مثلث زهره-زمین-خورشید و ابزار دقیق‌تر تلسکوپ، استفاده کرد تا فاصله زمین تا خورشید را دقیق‌تر محاسبه کند. او به ۱۵۳ میلیون کیلومتر رسید که فقط 2 درصد با واحد نجومی فاصله دارد.
ازآنجاکه بخشی از روش هویگنس مبتنی‌بر حدس و گمان بود و پایه و اساس کاملاً علمی نداشت، عنوان اولین اندازه‌گیری دقیق فاصله زمین تا خورشید را به «جووانی کاسینی»، اخترشناس ایتالیایی، می‌دهند که روشی کاملاً علمی به کار گرفت.
کاسینی سال ۱۶۷۲ سعی کرد با استفاده از روش پارالاکس فاصله مریخ را اندازه‌گیری کند و با این کار فاصله خورشید را نیز به دست آورد. او یکی از شاگردان خود را به رصدخانه‌ای در گویان فرانسه در شمال آمریکای جنوبی فرستاد و خودش در پاریس ماند. آنها هم‌زمان موقعیت مریخ را نسبت به ستاره‌های پس‌زمینه محاسبه کردند و با استفاده از این اندازه‌گیری‌ها و فاصله معلوم پاریس تا گویان، فاصله مریخ را محاسبه کردند.
با دانستن فاصله مریخ، محاسبه فاصله خورشید کار سختی نبود و محاسبات کاسینی با 7 درصد خطا ۱۳۸ میلیون کیلومتر را نشان می‌داد.
نیوتن و کپلر نشان دادند فواصل سیاره‌های منظومه شمسی به یکدیگر وابسته‌اند؛ پس با داشتن یکی از این فواصل می‌شد تمام فاصله‌های منظومه شمسی را با دقت محاسبه کرد. کلید این محاسبه دقیق اندازه‌گیری فاصله زهره بود که ساده‌تر از بقیه سیاره‌ها به نظر می‌رسید اما اندازه‌گیری این فاصله مستلزم گذر مریخ از جلوی خورشید بود که یک واقعه بسیار نادر است که به‌صورت جفتی (2 گذر با فاصله زمانی کم سپس سال‌های زیاد بدون گذر) رخ می‌دهد.
ادموند هالی اولین کسی بود که متوجه شد با این روش می‌توان فاصله خورشید را دقیق اندازه‌گیری کرد اما نزدیک‌ترین گذر سال ۱۷۶۱ رخ می‌داد و او بسیار پیرتر از آن بود که تا آن سال زنده بماند. پیش از مرگش دستورالعمل دقیق رصدها را نوشت، به این امید که پس از او کسانی این اندازه‌گیری را انجام دهند. رصدها باید از 2 سوی کره زمین انجام می‌شدند و اخترشناسان در نقاط مختلف زمین مستقر می‌شدند تا هوای ابری مانع کار نشود.
علاوه‌بر دشواری معمول سفرهای دریایی در قرن هجدهم، جنگ هفت‌ساله انگلیس و فرانسه در زمان گذر زهره شرایط را بدتر کرده بود. اما اخترشناسانی توانستند از کشتی‌های جنگی جان سالم به درببرند و گذر زهره را در آسمانی صاف رصد کنند. 8 سال بعد نیز داده‌های تکمیلی بیشتری در گذر بعدی زهره ثبت شد.
«ژروم لالاند» (Jerome Lalande)، اخترشناس فرانسوی، با جمع‌آوری این داده‌ها اولین بار توانست فاصله دقیق خورشید را به روشی علمی حساب کند. او نیز مانند هویگنس به ۱۵۳ میلیون کیلومتر رسید اما این دفعه کاملاً علمی!
در قرن‌های بعدی، رصدهای بیشتر از نقاط مختلف عدد فعلی را دقیق‌تر کردند. فاصله امروزی در دهه ۱۹۶۰ و با کمک داده‌های ماهواره‌ای و رادارها اندازه‌گیری شد.
کاربردهای واحد نجومی
واحد نجومی از مهم‌ترین واحدها در اخترشناسی است. علت ساده این است که همچنان با گذشت بیش از 2 هزار سال از زمان آریستارخوس و ابرخس، روش هندسی پارالاکس اصلی‌ترین روش محاسبه فواصل نجومی است. همان‌طور که می‌توانیم با دانستن فاصله‌ای در منظومه شمسی از روش پارالاکس استفاده و تمام فواصل منظومه را اندازه‌گیری کنیم، می‌توانیم با استفاده از فاصله زمین تا خورشید تمام فواصل درون کهکشان راه شیری را بیابیم.
برای مثال، تلسکوپ فضایی گایا تمام فواصل ستاره‌ها و سیاره‌های کهکشان راه شیری را با استفاده از واحد نجومی اندازه‌گیری می‌کند. به‌اصطلاح، می‌توانیم بگوییم تقریباً تمام فواصل اندازه‌گیری‌شده در راه شیری با واحد نجومی کالیبره شده‌اند.
برای اندازه‌گیری فواصل اجرام خارج از راه شیری، اخترشناسان از «شمع‌های اس تاندارد» مانند ستاره‌های متغیر دلتا قیفاووسی و ابرنواخترها و قانون مربع معکوس که می‌گوید مقداری فیزیکی با مربع فاصله منبع آن رابطه عکس دارد، استفاده می‌کنند. اما اینجا نیز اندازه‌گیری‌ها با استفاده از روش پارالاکس و واحد نجومی کالیبره می‌شوند.
یکی از واحدهای فنی و پرکاربردی که از واحد نجومی به دست می‌آید، «پارسک» (Parsec) نام دارد. یک پارسک تقریباً برابر است با ۳.۲۶ سال نوری و اخترشناسان از آن برای بیان فواصل بسیار بزرگ استفاده می‌کنند. سال نوری برابر میزان مسافتی است که نور طی یک سال طی می‌کند. این رقم برابر با 9 تریلیون و 600 میلیارد کیلومتر است.
یک پارسک عبارت است از فاصله‌ای که در آن واحدی نجومی قوسی برابر با یک ثانیه را در بر می‌گیرد؛ به زبان ساده‌تر، اگر جسمی در فاصله یک پارسکی زمین قرار داشته باشد، وقتی زمین در محور خود جابه‌جا می‌شود، اختلاف منظر آن جسم در آسمان یک ثانیه قوسی به نظر می‌رسد.
برای مثال، پروکسیما قنطورس، نزدیک‌ترین ستاره به خورشید، حدود ۱.۳ پارسک یا ۴.۲۵ سال نوری یا ۲۶۸ هزار و ۷۷۰ واحد نجومی یا ۴۰ تریلیون کیلومتر با ما فاصله دارد.
فاصله زمین تا خورشید چند سال نوری است؟
همان‌طور که گفتیم فاصله میانگین زمین از خورشید یک واحد نجومی تعریف شده است. اما فاصله زمین از خورشید برحسب سال نوری چقدر است؟
برحسب سال نوری فاصله زمین از خورشید به‌صورت میانگین ۰.۰۰۰۰۱۵۸۱ سال نوری است.
خلاصه
در این مقاله با واحد نجومی یا فاصله زمین تا خورشید آشنا شدیم. دیدیم که فاصله تقریبی زمین تا خورشید یا یک واحد نجومی ۱۴۹ میلیون و ۶۰۰ هزار کیلومتر است که در اوج تا ۱۵۲ میلیون و هزار کیلومتر افزایش و در حضیض تا ۱۴۷ میلیون و هزار کیلومتر کاهش می‌یابد.
فاصله زمین تا خورشید را با استفاده از روش هندسی پارالاکس اندازه‌گیری می‌کنند که از زمان یونان باستان در اندازه‌گیری‌های نجومی کاربرد داشت اما اندازه‌گیری دقیق فاصله خورشید فقط بعد از اختراع تلسکوپ، نظریه‌های نیوتن و کپلر و رصدهای دقیق‌تر ممکن شد. امروزه نیز واحد نجومی و روش پارالاکس مبنای بسیاری از اندازه‌گیری‌های نجومی هستند.