版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們

我們都知道，表示距離的常見單位有米和千米。但在天文學(xué)上，這些單位用起來就很不方便，因為天文學(xué)上的距離遠(yuǎn)到?jīng)]法用常見的單位來丈量，即便是千米，也只適用于距離很近的天體。

因此，在天文學(xué)上，人們建立了一些新的距離單位，其中最小、最基本的一個就叫做“天文單位”，縮寫為AU。

1個天文單位指的就是地球到太陽的平均距離，約為1.5億千米，那么下面我們就來介紹一下這個單位的由來。

1

地球到太陽的距離是如何計算出來的

我們先說說地球到太陽有多遠(yuǎn)，這個問題從兩千多年前人們就開始思考了。古希臘科學(xué)家阿里斯塔克在《關(guān)于太陽和月亮的大小和距離》一書中，根據(jù)日月的角直徑和半月時日月之間的角度，計算出太陽到地球的距離是月亮到地球距離的18到20倍（實際倍率約為389倍）。

托勒密關(guān)于日月的大小和距離的計算，圖片來源：wiki

托勒密先是測量了月亮的視差，計算出月球到地球的距離是地球半徑的64倍左右。然后，比較了太陽和月球視覺上的大小，得出了太陽的大小約等于月球的大小。

最后，根據(jù)月食期間月球穿過地球陰影錐的直徑等數(shù)據(jù)，計算出太陽到地球距離為地球半徑的1210倍（實際倍率約為23455倍）。這個距離大約是地月距離的19倍，與阿里斯塔克的結(jié)果基本一致。

到了中世紀(jì)，先后有許多阿拉伯天文學(xué)家也計算過太陽的距離，結(jié)果都與托勒密的計算相差不多。

直到16世紀(jì)，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明使天文觀測數(shù)據(jù)變得更加精確，天文學(xué)家們找到了新的觀測方法，那就是利用金星凌日來測量太陽的視差。

通過測量兩個不同位置的凌日，可以計算出金星的視差，再根據(jù)地球和金星與太陽的相對距離，得到太陽視差，便可計算出太陽的距離。

英國天文學(xué)家耶利米霍·洛克斯（Jeremiah Horrocks）利用1639年發(fā)生的金星凌日，計算出太陽視差為15″，由此得出日地距離為13750倍地球半徑。

而荷蘭天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）在對比了金星和火星的大小后，認(rèn)為這個距離應(yīng)該更大。他估算太陽視差為8.6″，所以日地距離應(yīng)該為24000倍地球半徑，但是由于沒有觀測證據(jù)，這樣的說法并沒有得到認(rèn)可。

金星穿越太陽表面，圖片來源：wiki

到了1672年，法國天文學(xué)家讓·里奇（Jean Richer）和意大利天文學(xué)家喬瓦尼·多梅尼克·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）在火星沖日時重新測量了火星視差，修正后得到的太陽視差值為9.5″，由此計算出日地距離為22000倍地球半徑，這個距離在當(dāng)時得到了普遍認(rèn)可。

而利用金星凌日來測量太陽距離的方法也開始得到長期和廣泛的使用。

利用金星凌日觀測的示意圖，圖片來源：wiki

到了19世紀(jì)，人們有了更多的方法和更好的儀器來進(jìn)行觀測，而到了20世紀(jì)，得益于雷達(dá)和遙測技術(shù)的應(yīng)用，太陽到地球距離的測量精度已經(jīng)可以達(dá)到米的級別了。

2

重新定義天文單位

地球圍繞太陽的軌道是一個橢圓，這個橢圓的半長軸被定義為連接近日點和遠(yuǎn)日點的直線段的一半，太陽的中心位于這條直線段上，但是不在中點。

由于橢圓形在數(shù)學(xué)上定義了確切的形狀，所以整個軌道的計算以及基于此的預(yù)測就可能會實現(xiàn)。

橢圓軌道的長半軸也成為了地球在一年中所經(jīng)過的最大距離，這個距離對于我們的觀測是非常重要的，因為在對其他天體進(jìn)行觀測時，都要以這條線段作為基準(zhǔn)線。

測量天體的基準(zhǔn)線，圖片來源：wiki

進(jìn)入20世紀(jì)，天體測量變得越來越精確，因此對基準(zhǔn)的要求也越來越高。1976年，為了給天文單位建立一個更加精準(zhǔn)的度量，國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）正式采用了一個新的定義，并用符號A來表示天文單位的長度。

根據(jù)定義，一個天文單位是：圍繞太陽運(yùn)動的一個具有無窮小質(zhì)量的粒子，以每天0.01720209895弧度的角頻率運(yùn)動，其軌道半徑為一個天文單位。

這個定義下，天文單位的具體數(shù)值要取決于日心引力常數(shù)，即引力常數(shù)和太陽質(zhì)量的乘積。而這兩個數(shù)值單獨拿出來進(jìn)行測量，測量值都不夠精準(zhǔn)，這樣一來，這個定義的精準(zhǔn)度也就不會太高。

隨著空間測量技術(shù)的發(fā)展，我們獲得的天體位置精度越來越高，一些之前可以忽略的誤差也開始被重視。于是，人們不得不重新定義天文單位。

2012年8月，國際天文學(xué)聯(lián)合會重新定義了天文單位，這次不再用物理量來表示，而是直接定義為149597870700米，其符號也改為AU。

雖然重新定義還了天文單位，但是重要性卻有所降低，僅是為了某些應(yīng)用能夠更便利。

天文單位示意圖，圖片來源：wiki

目前天文單位僅在行星系統(tǒng)內(nèi)的尺度描述以及作為三角測距的基線中被使用。

而且隨著太陽能量的不斷輻射，太陽會不斷失去質(zhì)量，所以行星的軌道也在不斷地向外擴(kuò)張。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)顯示，行星軌道單位距離的增加大約為每世紀(jì)15米，這個數(shù)字相對天體之間的距離簡直微乎其微，但是，仍有一些人呼吁放棄天文單位這個度量。

未來，我們或許會采用其他單位或方式表示這個最小的基本距離，但目前來說，天文單位在太陽系的范圍內(nèi)使用頻率還是很高。

END

審核專家：魯旸筱懿，行星物理學(xué)博士。

蝌蚪五線譜原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載注明來源

歡迎掃碼關(guān)注深圳科普！

我們將定期推出

公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的科普活動和科普好物！