Trái đất và các hành tinh hàng xóm, cùng các tiểu hành tinh, hành tinh lùn, thiên thạch, sao chổi… thuộc Hệ Mặt trời (Thái Dương hệ) với Mặt trời là trung tâm của hệ này. Các nhà thiên văn học sử dụng một đơn vị đo để đo khoảng cách giữa các thiên thể trong hệ Mặt trời, được gọi là AU (Astronomical Unit), hay nghĩa tiếng Việt là Đơn vị Thiên văn.
Khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời là 149.597.870.700 mét (149,6 triệu km).
Đơn vị thiên văn (AU) là khoảng cách từ Trái đất tới Mặt trời. Một đơn vị thiên văn bằng với khoảng cách từ Trái đất tới Mặt trời, là 149.597.870.700 mét (149,6 triệu km). Các nhà thiên văn học sử dụng đơn vị này để đo khoảng cách giữa các thiên thể trong hệ Mặt trời. Thí dụ khoảng cách từ Mặt trời tới Mộc Tinh là 5,2 AU trong khi Hải Vương Tinh cách Mặt trời 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
Tuy nhiên như bạn cũng đã biết, quỹ đạo của Trái đất xung quanh Mặt trời không phải là một đường tròn hoàn hảo tuyệt đối, nó là một hình ellip. Nên trong một năm, có lúc Trái đất tới gần Mặt trời, lúc thì lại ra xa.
Điểm trên quỹ đạo mà Trái đất tới gần Mặt trời nhất gọi là Điểm cận nhật, khoảng cách khoảng 146 triệu cây số và vào tháng 1 hằng năm Trái đất sẽ tới điểm này. Điểm trên quỹ đạo mà Trái đất xa ra Mặt trời nhất được gọi là Điểm viễn nhật, khoảng cách khoảng 152 triệu cây số và vào tháng 7 hằng năm Trái đất sẽ tới điểm này.
Đơn vị thiên văn (AU) là khoảng cách từ Trái đất tới Mặt trời.
Xác định các khoảng cách
Trong lịch sử đã ghi nhận, nhà thiên văn và toán học Aristarchus của (đảo) Samos người Hy Lạp là người đầu tiên đo khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời vào khoảng năm 250 trước Công nguyên. Và vào thời hiện đại, nhà thiên văn học Christiaan Huygens người Hòa Lan đã đo khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời vào năm 1653.
Ông Huygens sử dụng các pha của Kim Tinh để tìm kiếm các góc trong tam giác Kim Tinh – Trái đất – Mặt trời. Thí dụ, khi Kim Tinh xuất hiện lúc 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 Kim Tinh (một cách vô tình nhưng lại chính xác), ông Huygens đã có thể xác định khoảng cách từ Kim Tinh 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 không được tín nhiệm.
Năm 1672, nhà toán học và thiên văn học Giovanni Cassini người Ý đã sử dụng một phương pháp bao gồm cả thị sai, hay sai số góc, để tìm khoảng cách tới Hỏa Tinh và đồng thời tính toán ra khoảng cách tới Mặt trời. Ông đã gởi một người đồng nghiệp là Jean Richer tới vùng Guiana thuộc Pháp trong khi bản thân ông ở Paris. Họ đã đo đạc vị trí tương đối của Hỏa Tinh 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 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 (IAU) chánh thức xác nhận con số 149.597.870.700 mét cho mỗi Đơn vị thiên văn. Con số này dựa trên tốc độ của ánh sáng, một khoảng cách xác định. Một mét được định nghĩa là khoảng cách mà ánh sáng di chuyển được trong một môi trường chân không trong 1 phần 299.792.458 giây.