Việc tính toán đơn vị thiên văn (astronomical unit) là một bài tập chuyển đổi đơn giản. Tuy nhiên, với kiến thức này, bạn sẽ hiểu rõ hơn về tỷ lệ của hệ mặt trời và vùng lân cận của các ngôi sao gần chúng ta. Trong bài viết ngắn này, bạn sẽ học được:

• Đơn vị thiên văn là gì: ý nghĩa của đơn vị này
• Các nhà khoa học đã tính toán đơn vị thiên văn như thế nào
• Chuyển đổi giữa đơn vị thiên văn với mét, km, dặm, vv.
• So sánh đơn vị thiên văn và năm ánh sáng
• Và nhiều hơn nữa!

Đơn vị thiên văn là gì? Định nghĩa và ý nghĩa của đơn vị thiên văn

Đơn vị thiên văn, ký hiệu au, là đơn vị đo độ dài được sử dụng đặc biệt trong thiên văn học vì nó bắt nguồn từ khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời. Định nghĩa của đơn vị thiên văn, được Liên đoàn Thiên văn Quốc tế (IAU) chấp nhận vào năm 2012, cố định chính xác hệ số chuyển đổi từ đơn vị thiên văn sang mét:

1 au = 149.597.870.700 m

Đơn vị thiên văn là một ước tính trung bình về khoảng cách giữa hành tinh của chúng ta và ngôi sao của chúng ta. Nó không thể khác được: quỹ đạo của Trái đất, giống như quỹ đạo hành tinh tốt, không phải là một hình tròn mà là một hình elip, mặc dù độ lệch tâm (độ lệch so với quỹ đạo tròn lý tưởng) cực kỳ thấp. Trong khi các định nghĩa đầu tiên cố gắng sử dụng trung bình giữa viễn nhật điểm (khoảng cách tối đa giữa Mặt trời và Trái đất) và cận nhật điểm (khoảng cách tối thiểu), các nhà thiên văn cuối cùng đã thống nhất một giá trị tùy ý nhưng có ý nghĩa. Nhưng làm thế nào để chúng ta đo lường được số lượng này?

Lịch sử của đơn vị thiên văn: tính toán khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời

Chúng ta đã đạt được giá trị của 1 đơn vị thiên văn mà IAU sử dụng trong định nghĩa ở phần trước như thế nào? Câu chuyện thật dài!

Từ thời cổ đại, các nhà khoa học đã cố gắng đánh giá khoảng cách giữa Mặt trời và Trái đất, ngay cả khi hiểu biết về cơ học thiên thể gần như bằng không. Nỗ lực đầu tiên, mặc dù táo bạo và sáng tạo, nhưng kết quả còn nghèo nàn. Chúng ta phải đợi đến thế kỷ 17 để cuối cùng thấy lần đầu tiên suy ra khoảng cách giữa Mặt trời và Trái đất một cách chặt chẽ: Cassini và Richer, cùng năm với Flamsteed (1672) đã suy ra một giá trị bằng 0,925 lần giá trị được chấp nhận ngày nay.

Điều gì đã làm cho kết quả này trở nên khả thi? Tính song song (parallax), cùng với các công cụ ngày càng được cải thiện. Tính song song là một hiện tượng quang học trong đó bằng cách thay đổi vị trí liên quan đến hai đối tượng, một cách xa và một cách xa hơn nhiều, đối tượng đầu tiên di chuyển, rõ ràng bằng một khoảng cách góc phụ thuộc vào một số yếu tố hình học.

Giơ một tay duỗi thẳng, duỗi một ngón tay, và luân phiên nhắm và mở từng mắt. Bạn sẽ thấy ngón tay của bạn di chuyển qua nền. Càng xa nền, ngón tay của bạn “đi qua” khoảng cách càng lớn – mặc dù khoảng cách góc vẫn giữ nguyên. Đây là một ví dụ thực tế về tính song song.

Các nhà khoa học đã cố gắng và quản lý để đo lường sự song song của Mặt trời, phương sai của góc tương ứng với bán kính Trái đất ở khoảng cách Mặt trời-Trái đất: bạn có thể hiểu khái niệm này với hình ảnh bên dưới.

Chú thích ảnh: Tính song song mặt trời tương ứng với góc bán kính Trái đất bao trùm nhìn từ Mặt trời.

Một khi góc này đã được biết đến, làm thế nào để bạn tính đơn vị thiên văn? Một chút lượng giác sẽ tiến xa, gần 150 triệu km! Khi bán kính Trái đất đã biết và bây giờ chúng ta có góc, chúng ta tính đơn vị thiên văn là:

1 au = 1 r_Earth / tan(θ_solar)

• Trong đó r_Earth là bán kính Trái đất và θ_solar là tính song song của mặt trời.

Khi con người phát triển các phương pháp mới để quan sát bầu trời và thậm chí bắt đầu phiêu lưu vào sự bao la giữa các hành tinh, cách chúng ta đo một đơn vị thiên văn đã thay đổi. Radar và telemetry đã giúp tinh chỉnh phép đo này.

Những cân nhắc hình học đơn giản dẫn đến những ước tính đầu tiên của nhân loại về giá trị của 1 đơn vị thiên văn dao động với sự tiến hóa của vật lý: các hiệu chỉnh nhỏ do tính tương đối tăng thêm độ khó của việc đo lường. Cuối cùng, IAU quyết định rằng các nỗ lực bổ sung để tinh chỉnh định nghĩa của đơn vị thiên văn là không cần thiết.

Cách tính đơn vị thiên văn thành km, dặm và các đơn vị khác

Chúng ta đã biết cách tính từ đơn vị thiên văn sang mét, hoặc ít nhất là chúng ta biết hệ số chuyển đổi. Để chuyển đổi từ đơn vị thiên văn sang mét, chỉ cần nhân khoảng cách tính bằng au với hệ số chuyển đổi.

Chuyển đổi đơn vị thiên văn thành km

Để chuyển đổi đơn vị thiên văn thành km, chia kết quả của phép chuyển đổi trước từ au sang m cho 1000. Chuyển đổi từ đơn vị thiên văn sang km, ít nhất là đối với hệ mặt trời bên trong, vẫn cho ra các phép đo có thể hiểu được: khoảng cách tối thiểu giữa Trái đất và Sao Hỏa là một con số thấp đáng ngạc nhiên 0,37 au. Giá trị này, tính bằng km, là:

0,37 au ≡ 0,37 au · 149.597.870.700 m/au = 55.351.212.159 m ≡ 55.351.212 km

Chuyển đổi đơn vị thiên văn sang dặm

Để chuyển đổi từ đơn vị thiên văn sang dặm, bạn có thể nhớ hệ số chuyển đổi:

1 au = 92.955.807 mi

Giá trị này có thể được làm tròn xấp xỉ bằng một trăm triệu dặm với sai số dưới 10%.

Đơn vị thiên văn so với năm ánh sáng

Cả đơn vị thiên văn và năm ánh sáng đều là các đơn vị đo phù hợp cho không gian. Nhưng không gian rộng lớn khôn lường! Với một định nghĩa khá thanh lịch, năm ánh sáng tương ứng với chiều dài mà ánh sáng trong chân không đi được trong một năm. Ngôi sao gần chúng ta nhất, Proxima Centauri, cách 4,2465 năm ánh sáng, trong khi Polaris cách 323 năm ánh sáng. Thiên hà của chúng ta có đường kính khoảng 100.000 năm ánh sáng.

Mặt khác, đơn vị thiên văn phù hợp cho các khoảng cách giữa các hành tinh. Nếu năm ánh sáng là khoảng cách mà ánh sáng đi được trong một năm thì đơn vị thiên văn là khoảng cách ánh sáng đi được trong 8 phút 20 giây.

Để chuyển đổi từ đơn vị thiên văn sang năm ánh sáng, chúng ta sử dụng phương trình sau:

1 au = 0,000015813 ly

Hoặc theo chiều ngược lại:

1 ly = 63.241 au

Vậy, Proxima Centauri cách chúng ta bao nhiêu đơn vị thiên văn?

4,2465 ly ≡ 4,2465 ly · 63.241 au/ly = 268.552 au

Đơn vị thiên văn và parsec

Parsec là một đơn vị đo chiều dài khác được sử dụng trong thiên văn học. Parsec và đơn vị thiên văn được kết nối chặt chẽ, tạo thành các cạnh của một tam giác vuông tưởng tượng được xây dựng trong không gian: cạnh ngắn hơn là đơn vị thiên văn, còn cạnh dài hơn là parsec. Bạn có thể thấy tam giác này trong hình ảnh bên dưới.

Chú thích ảnh: Parsec là viết tắt của “parallax second”: bây giờ bạn đã biết tại sao!

Góc nhọn xa hơn từ Trái đất có biên độ cố định – trên thực tế, biên độ này xác định giá trị của parsec. Góc này bằng chính xác một giây cung (arcsecond). Vì cấu trúc tương tự như cấu trúc được sử dụng trong các phép đo song song, nên tên được chọn cho đơn vị này phản ánh thực tế này: parallax của một giây (second). Sử dụng lượng giác cơ bản, chúng ta có thể tìm thấy giá trị của parsec:

1 pc = 1 au / tan(1″)

Hoặc nói cách khác:

1 pc = (180·60·60 / π) au = (648.000 / π) au

Điều đó xấp xỉ bằng:

1 pc ≈ 206.264,8 au = 30,856775814913673×10^15 m

Parsec xấp xỉ bằng 3,26 năm ánh sáng, khiến nó lý tưởng cho các phép đo trong và ngoài thiên hà.

Câu hỏi thường gặp

Trái đất cách Mặt trời bao nhiêu đơn vị thiên văn?

Gần bằng một! Câu trả lời chính xác cho câu hỏi “Trái đất cách Mặt trời bao nhiêu đơn vị thiên văn” phụ thuộc vào thời điểm trong năm bạn đặt ra câu hỏi:

1. Tại cận nhật điểm, khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời đạt mức tối thiểu và bằng 0,9832899 au.
2. Tại viễn nhật điểm, khoảng cách đạt tối đa và bằng 1,0167103 au.

Lưu ý rằng trung bình của các phép đo này gần bằng 1.

Khoảng cách từ Sao Mộc đến Mặt trời tính bằng đơn vị thiên văn là bao nhiêu?

Khoảng cách từ Sao Mộc đến Mặt trời tính bằng đơn vị thiên văn xấp xỉ là 5,2 đơn vị thiên văn. Tức là xa hơn 5 lần so với khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời.

Để tìm khoảng cách này tính bằng km, nhân nó với hệ số chuyển đổi 1 au = 149.597.870,7 km:

d = 5,2 au × 149.597.870,7 km/au = 777.908.927,64 km.

Làm thế nào để chuyển đổi từ đơn vị thiên văn sang km?

Để chuyển đổi từ đơn vị thiên văn sang km:

1. Nhớ định nghĩa của đơn vị thiên văn: 1 au = 149.597.870.700 m.
2. Nhân đo lường bằng đơn vị thiên văn với hệ số ở bước 1.
3. Chia cho 1000 để tìm số đo tương ứng theo km.

Đơn vị thiên văn có phải là đơn vị SI không?

Không, đơn vị thiên văn không phải là đơn vị SI mà là một đơn vị đo lường đặc biệt được sử dụng trong thiên văn học hành tinh. Giá trị của đơn vị thiên văn được cố định ở 149.597.870.700 m, khiến nó trở nên vụng về cho các phép đo ở quy mô cuộc sống hàng ngày và khoảng cách giữa các vì sao. Tuy nhiên, tất cả các khoảng cách giữa các vật thể trong Hệ Mặt Trời đều tương đối nhỏ so với bội số của đơn vị thiên văn, điều này dẫn đến việc áp dụng nhanh chóng đơn vị này.

Trên đây là bản dịch đầy đủ sang tiếng Việt của nội dung HTML đã cho, với các thẻ heading chi tiết và các công thức toán học được viết rõ ràng. Hy vọng nó sẽ giúp ích cho bạn trong việc hiểu rõ hơn về đơn vị thiên văn và các khái niệm liên quan.