Астрономическая единица измерения расстояний¶

Астрономическая единица (русское обозначение: а. е.; международное: au, иногда UA) — внесистемная единица измерения расстояний в астрономии, исторически определявшаяся как среднее расстояние от Земли до Солнца. В современной науке астрономическая единица принята как точная величина, равная 149 597 870 700 метрам. Она используется преимущественно для выражения расстояний внутри Солнечной системы, а также между звёздами в тесных двойных системах и в других случаях, где расстояния слишком велики для километров, но слишком малы для парсеков и световых лет.

¶Определение и современный стандарт

Долгое время астрономическая единица была привязана к параметрам орбиты Земли. Поскольку орбита Земли эллиптическая, расстояние до Солнца меняется в течение года от перигелия (около 147,1 млн км) до афелия (около 152,1 млн км). Поэтому исторически использовалось среднее расстояние, что вносило неопределённость в измерения.

На XVI Генеральной ассамблее Международного астрономического союза (МАС) в 1976 году астрономическая единица была определена как радиус круговой орбиты, на которой тело с пренебрежимо малой массой обращалось бы вокруг Солнца с периодом в 365,2568983 суток (гауссов год). Однако развитие радиолокации и лазерной дальнометрии позволило измерять расстояния с точностью до метров, что потребовало отказа от гравитационной привязки.

В августе 2012 года на XXVIII Генеральной ассамблее МАС в Пекине было принято решение зафиксировать астрономическую единицу как точную константу: 1 а. е. = 149 597 870 700 метров ровно. Это определение не зависит от гравитационных постоянных и массы Солнца, что делает единицу пригодной для высокоточных расчётов в рамках Международной системы единиц (СИ). В системе СИ астрономическая единица не является основной, но допускается к использованию наравне с такими единицами, как минута, час и сутки.

¶История появления

Понятие расстояния от Земли до Солнца возникло ещё в античности. Аристарх Самосский в III веке до н. э. в трактате «О величинах и расстояниях Солнца и Луны» предпринял первую известную попытку оценки этого расстояния через геометрические построения, основанные на угле между Солнцем и Луной в момент квадратуры. Его оценка (около 19 расстояний до Луны) была занижена более чем в 20 раз из-за грубости измерений углов, однако сам метод был научно корректен.

В XVII веке астрономы использовали прохождения Венеры по диску Солнца для определения солнечного параллакса. В 1672 году Джованни Кассини и Жан Рише, проведя одновременные наблюдения Марса из Парижа и Кайенны, получили значение солнечного параллакса около 9,5 угловой секунды, что дало расстояние до Солнца примерно в 140 миллионов километров. Уточнённые наблюдения прохождений Венеры в 1761 и 1769 годах (в том числе экспедиции Джеймса Кука) позволили получить более точное значение около 149—150 миллионов километров.

Сам термин «астрономическая единица» вошёл в употребление в XIX веке. Математическое обоснование единицы связано с именем Карла Фридриха Гаусса, который в 1801 году в работе по определению орбиты Цереры ввёл постоянную, названную впоследствии гауссовой гравитационной постоянной. Именно через неё вплоть до 2012 года формально определялась астрономическая единица.

¶Методы измерения

Точное значение астрономической единицы стало доступно только в XX веке с появлением радиолокации. В 1961 году советские учёные провели радиолокацию Венеры, что позволило впервые измерить расстояние до другой планеты с высокой точностью. Последующие радарные наблюдения Венеры, Марса и Меркурия, а также лазерная локация Луны позволили уточнить масштаб Солнечной системы до нескольких километров, а затем и до метров.

Дополнительным методом является измерение времени распространения радиосигналов от автоматических межпланетных станций. Например, точное определение позиции аппаратов «Венера-15», «Викинг» и других позволило уточнить значение астрономической единицы. Современные эфемериды, такие как DE (Development Ephemeris) Лаборатории реактивного движения НАСА, строятся с использованием фиксированного значения астрономической единицы в метрах.

¶Использование в астрономии

Астрономическая единица удобна для описания расстояний в пределах Солнечной системы. Расстояния до планет от Солнца составляют: Меркурий — 0,39 а. е., Венера — 0,72 а. е., Марс — 1,52 а. е., Юпитер — 5,2 а. е., Сатурн — 9,5 а. е., Уран — 19,2 а. е., Нептун — 30,1 а. е. Граница гелиосферы (ударная волна) находится на расстоянии около 80—100 а. е., а облако Оорта простирается предположительно до 100 000 а. е.

За пределами Солнечной системы астрономическая единица применяется для измерения расстояний между компонентами тесных двойных звёзд, а также при описании размеров протопланетных дисков. Для межзвёздных расстояний она неудобна из-за малой величины: ближайшая звезда Проксима Центавра находится на расстоянии около 268 000 а. е. Поэтому в таких случаях используются парсек и световой год.

Существует прямая связь между астрономической единицей и парсеком: парсек определяется как расстояние, с которого одна астрономическая единица видна под углом в одну угловую секунду. Таким образом, 1 парсек = 206 264,8 а. е. Световой год, в свою очередь, равен примерно 63 241 а. е.

¶Параллакс и определение парсека

Астрономическая единица лежит в основе метода тригонометрического параллакса — одного из главных способов определения расстояний до звёзд. При наблюдении звезды с двух противоположных точек земной орбиты (с интервалом в полгода) направление на неё меняется на угол, равный удвоенному годичному параллаксу. Зная длину базиса (2 а. е.) и измеренный угол, расстояние до звезды вычисляется тригонометрически. Именно этот метод исторически позволил впервые определить расстояния до ближайших звёзд (Фридрих Бессель, 1838 год, звезда 61 Лебедя).

¶Интересные факты

Скорость света составляет около 299 792 458 метров в секунду, поэтому свет проходит одну астрономическую единицу примерно за 499 секунд (8 минут 19 секунд). Это время называется световым временем астрономической единицы.
В разговорной речи и научно-популярной литературе астрономическую единицу часто называют «расстоянием от Земли до Солнца», что приблизительно верно, но формально неточно после фиксации величины в 2012 году.
В 2012 году вместе с астрономической единицей МАС также переопределил значения светового года и парсека, привязав их к фиксированному значению астрономической единицы.

¶Источники

Международный астрономический союз, Резолюция B2 (2012): «О переопределении астрономической единицы длины».
БСЭ, статья «Астрономическая единица».
Жаров В. Е. «Сферическая астрономия», Фрязино, 2006.
Standish E. M. «The Astronomical Unit now», Proceedings of the International Astronomical Union, 2004.