Mặt trời là trung tâm trong Thái Dương hệ của chúng ta. Tất cả các thiên thể trong Thái Dương hệ, bao gồm các hành tinh, thiên thạch, sao chổi, …, quay xung quanh nó. 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 sáng 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.
Tuấn Anh
Từ xa xưa, khoảng cách giữa Trái Đất chúng ta với Mặt Trời to lớn kia luôn là đề tài nghiên cứu của các nhà thiên văn học.
Người khởi đầu cho công cuộc này là nhà toán học, nhà thiên văn học cổ đại người Hy lạp Aristarchus vào những năm 250 TCN. Ông sử dụng các pha của Mặt Trăng và quy ước góc tạo bởi Trái Đất, Mặt Trời, Mặt Trăng tại các pha chọn trước. Cuối cùng, ông kết luận Mặt Trời cách rất xa Trái Đất [gấp khoảng 20 lần khoảng cách Trái Đất tới Mặt Trăng] và to hơn Trái Đất rất nhiều [đường kính Mặt Trời gấp khoảng 6 lần đường kính Trái Đất]. So với thực tế, những kết luận kia chưa thực sự chính xác [khoảng cách Trái Đất tới Mặt Trời gấp 400 lần khoảng cách Trái Đất tới Mặt Trăng và đường kính Mặt Trời gấp hơn 100 lần đường kính Trái Đất]. Mặc dù những nỗ lực ấy chỉ dựa trên Toán học đơn thuần mà không có sự trợ giúp bởi bất kì công cụ hiện đại nào, nhưng kết quả mang lại của Aristarchus vẫn vô cùng ấn tượng khi ông đã có những kết luận tương đối đầu tiên về khoảng cách từ chúng ta tới Mặt Trời.
Trải qua nhiều thế kỷ, nhiều nhân vật lỗi lạc cũng tham gia vào công cuộc tìm kiếm câu trả lời. Nhất là vào thế kỷ 17, nhà thiên văn học người Hà Lan Christiaan Huygens và nhà thiên văn học người Ý Gian Domenico Cassini đều đưa ra những công bố về khoảng cách Trái Đất đến Mặt Trời. Cả hai đều dùng những tính chất về hình học và phán đoán dựa trên các hành tinh gần Trái Đất hơn như Sao Kim, Sao Hỏa để đưa ra con số gần đúng với thực tế.
Tuy nhiên, những phương pháp trên chỉ là phỏng đoán và không hoàn toàn dựa trên cơ sở thực nghiệm nên không được công nhận.
Mô hình Hệ Mặt Trời của Kepler:
1. Quỹ đạo các hành tinh không là hình tròn, mà là elip.
2. Mặt Trời không nằm tại tâm mà tại một tiêu điểm.
3. Cả vận tốc xuyên tâm và vận tốc góc đều biến thiên khi hành tinh chuyển động trên quỹ đạo, nhưng vận tốc quét là không đổi.
4. Bình phương chu kỳ quỹ đạo tỷ lệ với lập phương giá trị trung bình giữa khoảng cách lớn nhất và nhỏ nhất từ hành tinh tới Mặt Trời.
Dựa trên nghiên cứu của Kepler, ta xây dựng được mô hình hệ Mặt Trời với hình dạng chính xác và khoảng cách tương đối của tất cả các Hành tinh. Nhưng chúng ta vẫn chưa biết được kích thước thực tế của chúng. Cũng giống như xem bản đồ, chúng ta biết các vị trí tương đối của các vật thể. Nhưng không biết khoảng cách thực tế nếu không có tỉ lệ xích của bản đồ. Do đó đến năm 1960, với sự ra đời của tàu vũ trụ và radar, chúng ta mới biết được con số chính xác của khoảng cách Trái Đất đến Mặt Trời.
Phương pháp hiện đại
Phương pháp hiện đại giúp ta giải quyết vấn đề trên có tên gọi Radar Ranging. Phương pháp này có thể hiểu đơn giản như sau. Sóng vô tuyến sẽ được truyền tới một thiên thể, chẳng hạn như một Hành tinh. Sóng đó sẽ bị phản xạ bởi thiên thể đó. Đồng thời cho thấy hướng và khoảng cách từ điểm phát sóng đến thiên thể. Lấy thời gian di chuyển khứ hồi của Radar nhân với tốc độ ánh sáng 300.000 [km/s]. Chúng ta được 2 lần khoảng cách từ điểm phát sóng đến thiên thể.
Tốc độ ánh sáng cũng là tốc độ truyền đi của sóng vô tuyến.
Tuy nhiên, không thể dùng trực tiếp phương pháp này để đo khoảng cách đến Mặt Trời vì tín hiệu vô tuyến bị hấp thụ toàn bộ ở bề mặt Mặt Trời mà không phản xạ lại Trái Đất. Tính toán dựa vào Sao Kim là phương pháp phổ biến nhất hiện nay. Vì Sao Kim có quỹ đạo tương đối gần Trái Đất
Dựa vào những tính toán của mình, Kepler quy ước:
Khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời là 1 AU [Astronomical Unit: đơn vị thiên văn]. Khi đó, khoảng cách từ Sao Kim tới Mặt Trời sẽ vào khoảng 0.7 AU. Hay khoảng cách từ Trái Đất đến Sao Kim là 0.3 AU. Để quy đổi AU sang những đơn vị đo khoảng cách phổ biến hơn như Km, Miles, chúng ta sử dụng phương pháp Radar Ranging. Thời gian khứ hồi sóng vô tuyến từ Trái Đất đến Sao Kim rơi vào khoảng 300 giây. Khi đó, khoảng cách từ Trái Đất đến Sao Kim sẽ là:
- 300.000 [km/s] x 300 [s] ÷ 2 = 45.000.000 [km]
- Khi đó, 0.3 AU tương đương 45.000.000 [km]
- Hay, 1 AU tương đương 150.000.000 ≈ 1.5 × 10^8 [km]
Thông qua nhiều thực nghiệm, người ta đưa ra con số chính xác cho đơn vị thiên văn là 149.597.870[km]. Đó cũng chính là khoảng cách trung bình giữa Trái Đất và Mặt Trời.
Tổng hợp và chia sẻ bởi Ban Học Thuật – Trần Vĩnh Đạt – Câu lạc bộ Thiên văn học Đà Nẵng