Khoảng cách từ Trái đất tới Mặt
trời được gọi là một đơn vị thiên văn (AU). Một đơn vị AU hiện được xác
định bằng 149.597.870.700 mét.
Theo trang Space, các nhà thiên văn học
đã sử dụng đơn vị AU để đo mọi khoảng cách trong Thái Dương hệ. Ví dụ,
sao Mộc cách Mặt trời 5,2 AU trong khi sao Hải vương cách trung tâm Thái
Dương hệ tới 30,07 AU. Ở rìa ngoài cùng của Thái Dương hệ, đám mây
Oort, nơi được cho là cái nôi của các sao chổi, cách Mặt trời 100.000
AU. Khoảng cách tới ngôi sao gần nhất, Proxima Centauri, xấp xỉ 250.000
AU. Tuy nhiên, để đo các khoảng cách xa hơn, giới thiên văn học đã sử
dụng năm ánh sáng hay khoảng cách ánh sáng di chuyển được trong một năm
của Trái đất - tương đương 63.239 AU. Vì vậy, theo quy đổi Proxima
Centauri nằm cách Mặt trời 4,2 năm ánh sáng.
Quỹ đạo hình elip
Đơn vị thiên văn (AU) là khoảng cách
trung bình từ Trái đất tới Mặt trời. Cứ 365,25 ngày - tức là 1 năm, Trái
đất hoàn thành một vòng xoay tròn quanh trung tâm của Thái Dương hệ.
Tuy nhiên, quỹ đạo của Trái đất không phải là một vòng tròn hoàn hảo, mà
có hình dạng giống hình ovan hoặc elip hơn. Trong suốt thời gian của
một năm, Trái đất thỉnh thoảng dịch chuyển gần hơn tới Mặt trời và đôi
khi xa hơn. Lần tiếp cận gần nhất của Trái đất tới Mặt trời được gọi là
điểm cận nhật, diễn ra vào đầu tháng 1 và có khoảng cách khoảng 146
triệu km. Thời điểm Trái đất ở xa Mặt trời nhất, khoảng 152 triệu km,
được gọi là điểm viễn nhật.
Xác định các khoảng cách
Lịch sử ghi nhận, người đầu tiên đo
khoảng cách từ Trái đất tới Mặt trời là Aristarchus vào khoảng năm 250
trước Công nguyên. Đến thời hiện đại, nhà thiên văn học Christiaan
Huygens đã tính toán khoảng cách từ Trái đất tới Mặt trời vào năm 1653.
Ông sử dụng các giai đoạn của sao Kim để
tìm kiếm các góc trong tam giác sao Kim - Trái đất - Mặt trời. Ví dụ,
khi sao Kim xuất hiện ở trạng thái được Mặt trời rọi sáng một nửa, 3
thiên thể hình thành một tam giác đều nhìn từ Trái đất. Phỏng đoán kích
thước của sao Kim (một cách vô tình lại chính xác), ông Huygens đã có
thể xác định khoảng cách từ sao Kim tới Trái đất, và khi biết được
khoảng cách đó, cộng với các góc của tam giác, ông đã có thể đo được
khoảng cách tới Mặt trời. Tuy nhiên, vì phương pháp của Huygens một phần
là sản phẩm mang tính suy đoán và không hoàn toàn dựa trên căn cứ khoa
học nên ông thường không được tín nhiệm.
Giovanni Cassini đã tìm khoảng cách từ Trái đất tới sao Hỏa trước, rồi từ đó
tính toán ra khoảng cách từ Trái đất tới Mặt trời. (Ảnh: Astronomy for beginners)
Năm 1672, Giovanni Cassini đã sử dụng
một phương pháp bao gồm cả thị sai hay sai số góc, để tìm khoảng cách
tới sao Hỏa và đồng thời tính toán ra khoảng cách tới Mặt trời. Ông đã
cử một người đồng nghiệp có tên Jean Richer tới vùng Guiana thuộc Pháp
trong khi bản thân ở Paris. Họ đã đo đạc vị trí tương đối của sao Hỏa
với các ngôi sao khác và lập lưới tam giác những kết quả đo đạc này với
khoảng cách đã biết giữa Paris và Guiana. Một khi nắm được khoảng cách
tới sao Hỏa, họ cũng có thể tính toán được khoảng cách tới Mặt trời. Vì
các phương pháp của Cassini mang tính khoa học hơn nên ông thường được
tin cậy.
Phương trình mới
Với sự ra đời của tàu vũ trụ và radar,
con người đã có trong tay những phương thức để đo đạc trực tiếp khoảng
cách giữa Trái đất và Mặt trời. Định nghĩa về đơn vị thiên văn (AU) từng
là “bán kính của một quỹ đạo tròn, không xáo trộn quanh Mặt trời
của một hạt có khối lượng vô cùng nhỏ, di chuyển với chuyển động trung
bình 0,01720209895 radian mỗi ngày (được gọi là hằng số Gaussian)".
Ngoài việc khiến mọi thứ trở nên khó một
cách không cần thiết đối với các giáo sư thiên văn học, định nghĩa trên
thực tế không phù hợp với học thuyết tương đối nói chung. Sử dụng định
nghĩa cũ, giá trị của AU sẽ thay đổi dựa vào vị trí của người quan sát
trong Thái Dương hệ. Nếu người quan sát ở trên sao Mộc sử dụng định
nghĩa cũ để tính toán khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời, kết quả sẽ
sai lệch so với con số tính toán được trên Trái đất khoảng 1.000 mét.
Hơn thế nữa, hằng số Gaussian phụ thuộc
vào khối lượng của Mặt trời, và vì Mặt trời mất dần khối lượng khi tỏa
ra năng lượng nên giá trị của AU thay đổi cùng với nó.
Tháng 8/2012, Hiệp hội Thiên văn học
quốc tế bỏ phiếu tán thành chuyển đổi định nghĩa về đơn vị thiên văn
sang một con số cũ, đơn giản hơn: 149.597.870.700 mét. Con số này dựa
trên tốc độ của ánh sáng, một khoảng cách xác định không liên quan đến
khối lượng của Mặt trời. 1 mét được định nghĩa là khoảng cách mà ánh
sáng di chuyển được trong một môi trường chân không trong 1/299.792.458
giây.
