Valgusaasta kõlab nagu peaks mõõtma aega. Ei tee. See on fikseeritud pikkus: täpselt 9.460.730.472.580,8 kilomeetrit, ehk ligikaudu 9,46 triljoni kilomeetrit (5,88 triljoni miili). Rahvusvaheline Astronoomiline Liit määratleb selle täpselt kui kauguse, mille valgus läbib vaakumis ühe Juliuse aasta jooksul 365,25 päeva.
See täpsus peitab kahe sajandi tööd: astronoomid, kes vaidlevad selle üle, millist kalendriaasta kasutada, valguskiirte kalibreerimine saadaolevate tööriistadega antud sajandil ja kraadi murdosa väljatoomimine teleskoobi kaudu, mis oli suunatud tärnile, millele keegi ei pöördanud palju tähelepanu. Järgnev on loo taga see pikk number ja ühikud, instrumendid ja peaaegu-kukkumised, mis astronoomid sinna tõid.
Ükski selles pole triviaalne iseenda pärast. Valguse kiirusele ehitatud ühik ühendab üheksateistkümnenda sajandi tähe mõõtmise kaasaegse jõupingutusega kogu jälgitava universumi kaardistamiseks, ja samad ideede hulk — nurgad, parallaks ja valguse konstant kiirus — jätkavad igal vahepealsel skaalal esilekerkimist.
Professionaalide ühik: Parsek
Küsige töösl astronoomilt kaugust ja "valgusaastad" pole alati see, mis tagasi tuleb. Spetsialistid pöörduvad reeglina parseki poole: üks parsek võrdub ligikaudu 3,26 valgusaastaga, mis võrdub 206 265 astronoomilise üksusega. Igapäevaste üksuste puhul on see ligikaudu 30,9 triljoni kilomeetrit või miilides teisendatuna ligikaudu 19,2 triljoni neist.
Nimi vihjab, kuidas ühik on konstrueeritud. Kujutage ette sitkad kolmnurk, mis ulatub ruumi: üks jalg on täpselt üks astronoomiline ühik pikk ja nurk selle kaugel, kitsas tipp mõõdab üks kaaresekundit. Pika jala pikkus on määratluse järgi parsek. See on kaugus, mis on määratletud nurgaga, mitte mõõdetud sirgjoonelt, mis on täpselt selle tõttu, et see osutus nii kasulikuks tähtede katalogiseerimiseks: iga teleskoop, mis suudab mõõta tähe asukoha väikest nihet taeva vastu, võib selle nihe otse kauguseks muuta, ilma, et peaks kunagi millegi saatma, et kontrollida.
Täht, kes kõik alustas
Enne, kui keegi sai valgusaastat mingil viisil fikseerida, oli keegi esiteks tõestama, et tähe kaugust saab üldse otse mõõta. See juhtus 1838. aastal, kui saksa astronoom Friedrich Wilhelm Bessel suunas tähelepanu nõrgale tähele nimega 61 Cygni. Tema trigonomeetrilised arvutused, mis põhinevad tähe parallaksil 0,314 kaaresekundit, paigutasid selle kauguse 660 000 astronoomilisele ühikule.
Bessel tõlkis siis selle abstraktsest numbri millekski palju elavam: valgus ise vajab 10,3 aastat, et ületada Maa ja selle tähe vahel olev vahe. Tema tulemus 61 Cygnile 3,5 parsekiga seisab kõikide edukatult avaldatud otsemõõtiste esimesena objektist väljaspool päikesesüsteemi — hetk, mil interstellaarsed kaugused lakkasid puhtalt arvamust ja muutuks millekski teleskoop võis tegelikult määrata.
Saksamaal sündinud sõna
Ühiku nimi on nooremalt kui selle inspireerinud mõõtmine. Sõna valgusaasta tuli keelde 1851. aastal, kui see ilmus saksa populaarse astronoomia artiklis, mille kirjutas Otto Ule. See võeti kiiresti omakseks kui viis Besseli tüüpi numbrit muuta millekski, mida üldine lugeja võis tunda — asendades kaaresekundid ja astronoomilised ühikud palju intuitiivsemaga ideega: kui kaua võtaks valgus ise reisi. Kümnendeid hiljem läks kutseline astronoomia vastupidises suunas ja asustus nurga baasil parsekkis, jättes valgusaasta versioonina kõigile teistele.
Kui kiiresti on kiire?
Valgusaastal on mõtet ainult siis, kui nõustute, kui kiiresti valgus liigub. Valguse sekund, kaugus, mille valgus läbib ühe sekundi jooksul, võrdub täpselt 299 792 458 meetriga — vaid 1/31 557 600 täielikust valgusaastast. Selle numbri saavutamine võttis põlvkondade tööd: 1676. aastal sai Ole Rømer esimeseks inimeseks, kes pani reaalse numbri valguse kiirusele, ja ta tegi seda, kasutades midagi muud kui astronoomilist mõõtmist, ilma sekundikelladeta valguse lähedal kusagil.
Isegi selle kiirusega maksab kaugus siiski tõelist aega viisidel, mida inimesed on otseselt tundnud. Apollo 8 missiooni ajal, esimene inimesi maandumisi Kuu ümber, pidi maapealse juhtkeskuse ootama vähemalt 3 sekundit pärast iga küsimust, enne kui vastus võis saabuda, lihtsalt seetõttu, et raadiosignaal võttis nii kaua edasi-tagasi reisimist valguse kiirusel. Venitage seda tüüpi viivitust triljoni kilomeetrite jooksul ja muutub selgeks, miks astronoomid lõpuks vajasid ühikut, mis oli ehitatud täielikult ümber selle, kui kaugele valgus ise võib liikuda, mitte püüda jätkuvalt kilomeetreid taaskasutada.
Universum peaaegu arusaamatu ulatusega
Kui astronoomidel oli töötav joonlaud, kasvasid numbrid, mida see tootis, kiiresti. Peaaegu iga täht, mille inimene saab palja silmaga eristada, ei ole Päikesest kaugemal kui mõni sada parsek; nende palja silmaga nähtavate nõrgemate tähtede hulk ulatub mitukümnele tuhandele parsekit, ja nende taga istub Andromeeda galaktika üle 700 000 parsekit minema.
Suurendage välja enda galaktikasse ja skaala jätkab kasvamist. Linnutee hinnangulise D25-läbimõõdu on 26,8 ± 1,1 kilparseki, ehk ligikaudu 87 400 ± 3 600 valgusaastat, kuid selle ketas on spiraalsete käte kaudu vaid ligikaudu 1000 valgusaasta paksune — kujund, mis on palju laiem kui see on pikk. Mõned struktuurid ületavad isegi selle: Herkules – Corona Borealis Great Wall on olnud suurim teadaolev struktuur universumis alates novembrist 2013, ulatudes ligikaudu 3 gigaparseki, umbes 9,8 miljardit valgusaastat.
Mõõtmine seda, mida me ei saa saavutada
Ükski neist numbritest ei tule ühest meetri ribast galaktika kaudu. Astronoomid ehitavad kaugust sammudega, meetodit kutsutakse kosmiliseks distantsisteladiks, ja igal astmel on oma veajooned. Tšefeidi muutujad tähed, üks neist steladidest, pole vigadeta kaugusemärkused: need kannavad ligikaudu 7% viga lähedaste galaktikate puhul, kuni 15% kõige kaugemate jaoks sel viisil mõõdetud.
Type Ia supernoovad pikendavad redel palju kaugemale. Nad on selle kõige täpsemate tööriistade hulgas, kuna nende plahvatused võivad kogu galaxiat heledusega konkureerida — piisavalt hele, et näha ligikaudu 500 korda kaugemal kui Tšefeiidi muutujad tähed, mis on täpselt selle tõttu, et supernoovad ja mitte üksikud tähed teevad rasket tööd, kui astronoomid vaatavad meie vahetut galaktilist naabruskonda. Kodule lähemalt paigutasid geomeetrilised mõõtmine kaugust Päikesest Linnutee keskusesse Ro = 8,0 ± 0,4 kiloparseki, kirjeldatakse galaktilise keskuse kõige täpsemaks esmaste kauguse numbrina, minimaalne süsteemne ebakindlus.
Iga selle redeli astmel, alates 1838. aasta nõrga tähe parallaksi mõõtmisest kuni kaasaegse geomeetrilise määramiseni galaktika keskusest, eksisteerib sama põhjuse pärast: kaugused seal on liiga suured milleksi peale valguse enda jaoks mõõta.