واحد نجومی چیست ؟ تاریخچه، کاربرد‌ها و تعریف AU

واحد نجومی (Astronomical Unit) یکی از یکاهای اندازه گیری نجومی و حدودا معادل فاصله میان زمین و خورشید است. به عبارت دیگر هر واحد نجومی را می‌‌توان به صورت اندازه شعاع مدار حرکت زمین به دور خورشید بیان کرد.

وقتی با مقیاس‌ بزرگی نظیر کائنات سر و کار داریم، بیشتر به این سو تمایل پیدا می‌کنیم تا هر چیز را با آشناترین شکل ممکن تعریف کنیم. وقتی سیارات فراخورشیدی را مطالعه می‌کنیم، آن‌ها را بر اساس شباهت‌شان با سیارات منظومه شمسی خودمان طبقه‌بندی می‌کنیم؛ مانند سنگ‌های آسمانی، غول‌های گازی، زمین مانند‌ها، مشتری ‌سایزها، نپتون سایزها و غیره.

همچنین هنگامی که می‌خواهیم مسافت‌های نجومی را اندازه‌گیری کنیم از شیوه‌ای مشابه استفاده می‌کنیم. به عنوان مثال، یکی از معمول‌ترین واحد‌های اندازه گیری فواصل در فضا “واحد نجومی” (Astronomical Unit) یا به اختصار AU است. این واحد بر اساس فاصله میان زمین و خورشید بنا شده است.

این واحد به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد که فواصل وسیع میان سیارات خورشیدی و خورشید و یا سیارات فراخورشیدی و ستاره‌هایشان را توصیف کنند.

تعریف واحد نجومی (AU)

بر اساس یک عرف و قرارداد جاری میان ستاره‌شناسان، یک واحد نجومی برابر ۱۴۹ میلیون و ۵۹۷ هزار و ۸۷۰.۷ کیلومتر (معادل ۹۲ میلیون و ۹۵۵ هزار و ۸۰۷ مایل) است. البته این میانگین فاصله میان زمین و خورشید است؛ فاصله‌ای که در طول گردش زمین به دور خورشید (حرکت انتقالی) متغیر است.

به عبارت دیگر، فاصله میان زمین و خورشید در طول یک بازه زمانی یک‌ساله تغییر می‌کند. در طول این دوره یک ساله، زمین در نزدیک‌ترین حالت تا ۱۴۷ میلیون و ۹۵ هزار کیلومتر به حورشید نزدیک می‌شود. در نقطه مقابل در دورترین حالت ۱۵۲ میلیون و ۱۰۰ هزار کیلومتر از زمین فاصله می‌گیرد. به بیان دیگر می‌توان گفت فاصله زمین تا خورشید در بازه ۰.۹۸۳ تا ۱.۰۱۶ واحد نجومی (AU) متغیر است.

تاریخچه بسط واحد نجومی

نخستین تخمین ستاره‌شناسان از فاصله میان زمین و خورشید به دوران عهد عتیق باز می‌گردد. در فعالیتی که در قرن سوم پیش از میلاد توسط آریستارکوس ساموس، ریاضیدان یونانی، روی اندازه و فاصله خورشید و ماه انجام گرفته بود،‌ این فاصله ۱۸ تا ۲۰ برابر فاصله زمین تا ماه برآورد شده بود.

اگر چه آرکی‌مدس (Archimedes)، ریاضیدان هم عصر او، ادعا می‌کند که آریستارکوس فاصله‌ای ۱۰ هزار برابر اندازه شعاع زمین را برآورد کرده بود. بر اساس این که آریستارکوس چه مبنایی برای تخمین‌های خود داشته است، از ۲ برابر (در صورتی که مبنا شعاع زمین باشد) تا ۲۰ برابر (در صورتی که فاصله زمین تا خورشید مبنا باشد) خطا داشته است.

قدیمی‌ترین متن ریاضیاتی چینی‌ها که رساله‌ای مربوط به قرن ۱ پیش از میلاد است، ژاوبی سانجینگ (Zhoubi Suanjing) نام دارد. در این متن تاریخی نیز به فاصله میان زمین تا خورشید اشاره شده است. بر اساس این متن نه چندان مشهور، این فاصله می‌توانسته بر اساس اندازه‌گیری‌های ژئومتری از طول سایه ایجاد شده توسط اجسامی در فواصل مشخص در نیم‌روز به دست آمده باشد. ذکر این نکته ضروری است که در زمان این محاسبات باور‌ها بر تخت بودن زمین استوار بوده است.

پتولمی (Ptolemy)، ستاره‌شناس و ریاضی‌دان سرشناس قرن دوم پس از میلاد، بر اساس یک سری محاسبات مثلثاتی، فاصله میان زمین و خورشید را معادل ۱۲۱۰ برابر اندازه شعاع زمین برآورد کرد. بر اساس اطلاعات به دست آمده از ماه گرفتگی‌ها، او در آن زمان تخمین زد که قطر ظاهری ماه، همانند قطر مخروط سایه زمین، در طول یک ماه گرفتگی، منقطع می‌شود.

با استفاده از اختلاف منظر، او توانست اندازه ظاهری ماه و خورشید را محاسبه کند و نتیجه بگیرد که در زمانی که ماه در بیشترین فاصله خود از زمین قرار دارد، قطر خورشید و ماه با هم برابری می‌کنند. با چنین محاسباتی، پتولمی نتیجه گرفت که نسبت به فاصله خورشید و ماه تا زمین تقریبا ۱۹ به ۱ است. تقریبا همان رقمی که آریستارکوس به دست آورده بود.

در هزاران سال بعد، تخمین پتولمی از فاصله میان زمین و خورشید، درست مانند بسیاری دیگر از آموزه‌های نجومی او، به عنوان کانون مطالعات ستاره‌شناسان اروپایی قرون وسطی و منجمان مسلمان باقی ماند. در قرن ۱۷ ام بود که ستاره‌شناسان در محاسبات او بازنگری و آنها را اصلاح کردند.

درست مانند قوانین حرکت سیاره‌ای کپلر، این نقطه عطف در محاسبه فاصله میان زمین و خورشید را می‌توان مدیون اختراع تلسکوپ بود.

بیشتر بخوانید: 

• تلسکوپ فضایی هابل ، اولین تلسکوپ فضایی جهان ؛ تاریخچه و حقایق (بخش اول)
• تلسکوپ هابل ، اولین تلسکوپ فضایی جهان ؛ اکتشافات و تصاویر (بخش دوم)

ستاره‌شناسان با استفاده از تلسکو‌پ‌ها توانستند فاصله میان سیارات و سایر اجرام آسمانی را با دقت بیشتری اندازه گیری کنند. آنها با اندازه گرفتن فاصله میان زمین و سایر سیارات منظومه، با استفاده از تکنیک اختلاف منظر (Parallex) با دقت بیشتری فواصل مختلف را اندازه‌گیری می‌کنند.

در قرن ۱۹ میلادی، اندازه گیری مستقیم فاصله میان زمین و خورشید به کیلومتر، منجر به تعیین سرعت نور و ثابت انحراف نور شد. از سال ۱۹۰۳، استفاده از واژه “واحد نجومی” ‌(Astronomical Unit) برای نخستین بار رایج شد و در طول قرن بیستم، اندازه‌گیری‌ها به طول فزاینده‌ای دقیق و پیچیده‌تر شد. بخشی از آن به دلیل مشاهدات دقیق از اثرات قانون نسبیت عام آلبرت انیشتین بود.

بیشتر بخوایند : نظریه نسبیت عام انیشتین ؛ داستان یک پیشگویی علمی

کاربردهای امروزی واحد نجومی

از دهه ۱۹۶۰، توسعه اندازه‌گیری‌های رادار مستقیم، دورسنجی (تله‌متری) و نیز کاوش منظومه شمسی با کاوشگر‌های مختلف منجر به افزایش دقت در تخمین محل قرارگیری سیارات داخلی و نیز سایر اجرام منظومه شده است. در سال ۱۹۷۶، اتحادیه بین‌المللی ستاره شناسی‌ (IAU) در جریان شانزدهیم مجمع عمومی خود، تعریف جدیدی را به ادبیات نجومی اضافه کرد. این تعریف جدید که بخشی از مجموعه ثابت‌های نجومی به شمار می‌آید، اینگونه تعریف شد:

طولی که در آن ثابت گرانشی گاوس (k) مقداری معادل ۰٫۰۱۷۲۰۲۰۹۸۹۵ اختیار می‌کند و یکاهای اندازه گیری طول، جرم و زمان، واحدهایی نجومی هستند.

این تعریف را می‌توان به گونه‌ای دیگر نیز بیان کرد:

 اگر یک دایره نیوتونی غیرآشفته به مرکزیت خورشید، ذره‌ای با بی‌نهایت کوچک و بسامد زاویه‌ای (f) ۰٫۰۱۷۲۰۲۰۹۸۹۵ روی محیط خود در حال حرکت ببینید؛ شعاع آن برابر یک واحد نجومی خواهد بود. یا اینکه می‌توان بصورت طولی که ثابت گرانشی خورشید مرکز آن با ۰٫۰۱۷۲۰۲۰۹۸۹۵ (AU³/d²) برابر است، معادل دانست.

در پاسخ به رشد فوق‌العاده دقت اندازه‌گیری‌ها، کمیته بین المللی وزن‌ها و اندازه‌ها (CIPM) در سال ۱۹۸۳ تصمیم به اصلاح سیستم واحدهای بین‌المللی (سیستم SI) گرفت. بر اساس این تصمیم، آنها مقیاسی را برای اندازه‌گیری سرعت نور در خلا بازتعریف کردند.

بیشتر بخوانید: سرعت نور دقیقا چقدر است ؛ از تاریخچه محاسبه سرعت نور و مفهوم سال نوری چه می‌دانیم؟

از سال ۲۰۱۲، اتحادیه بین‌المللی ستاره‌ شناسی (IAU)، تبیین کرد که برابر نسبت‌های اندازه‌گیری براساس واحد نجومی کار دشواری است. بر همین اساس آنها یک واحد نجومی را در مقیاس‌ها و با واحد‌های مختلف تعریف کردند. در نتیجه هر واحد نجومی را از آن پس معادل ۱۴۹,۵۹۷,۸۷۰.۷ کیلومتر، ۹۲,۹۵۵,۸۰۷ مایل یا ۴۹۹ ثانیه نوری است. همچنین این رقم بر حسب پارسک و سال نوری به ترتیب برابر است با 10^-6×4.8481368 و 10^-6×15.812507

امروزه واحد نجومی عموما برای اندازه‌گیری فاصله‌ها و تشکیل مدل‌های عددی از منظومه شمسی به کار می‌رود. همچنین از دیگر کاربرد‌های آن باید به اندازه‌گیری‌ منظومه‌های فراخورشیدی، محاسبه انبساط ابرهای پیش‌سیاره‌ای و نیز فاصله میان سیارات فراخورشیدی و ستارگان مادرشان، اشاره کرد.

اما وقتی پای اندازه‌گیری فواصل میان‌ستاره‌ای به میان می‌آید، واحد نجومی مقیاس کوچکی است و چندان مناسب به نظر نمی‌رسد. در عوض از واحد‌های بزرگ‌تر مانند سال نوری و یا پارسک استفاده می‌شود.

کائنات وسعت بسیار زیادی دارد و برای اندازه‌گیری حتی بخش کوچکی از آن نیاز است تا با اعداد دیوانه‌واری سر و کله بزنیم. برای حل چنین مشکلی ما همواره تمایل داریم تا این اعداد را بر اساس تناسب‌ها، به واحد‌هایی قابل فهم‌تر تبدیل کنیم.

بیشتر بخوایند :

• دورترین سیاهچاله کلان‌جرم شناخته شده کشف شد
• همه چیز در مورد تنها قمر زمین ؛ فاصله ماه تا زمین چقدر است؟
• ماموریت فضاپیما‌های وویجر ؛ دورترین ساخته‌های دست بشر

منبع : Universetoday