Із 2012 року астрономічну одиницю більше не вимірюють — її проголошують. Астрономи припинили гнатися за дедалі точнішим значенням середньої відстані Земля-Сонце і просто зафіксували її на рівні 149 597 870 700 метрів, крапка. Це дивне завершення загадки, над якою люди билися понад два тисячоліття.
Астрономічна одиниця — одна з базових мірок астрономії, замінник відстаней Сонячної системи, які інакше потонули б у нулях. Щоб отримати правильне значення, спостерігачам довелося пройти крізь античну геометрію, фламандського астронома, який переробляв столітні обчислення, рідкісне планетне проходження, яке спостерігали з протилежних кінців земної кулі, і врешті-решт астероїд, що пролітав повз. Історія нижче простежує, як число, яке сьогодні сприймають як фіксовану константу, більшу частину своєї історії було однією з найважчих для визначення речей на небі.
Відстань, встановлена визначенням, а не вимірюванням
Сьогодні астрономічна одиниця визначається як довжина, що дорівнює рівно 149 597 870 700 метрів — без похибок, без невизначеності. До перевизначення 2012 року її розуміли вільніше: як середнє значення найближчої та найвіддаленішої точок Землі від Сонця протягом року — цифра, яка трохи змінювалася щоразу, коли вдосконалювалася техніка вимірювання.
Саме та старіша, фізично обґрунтована версія і є причиною, чому одиниця фігурує в розмові про світло. За стандартом Міжнародного астрономічного союзу 2009 року промінь світла долає одну астрономічну одиницю за 499,0047838061 секунди — трохи більше 8 хвилин 19 секунд. Фіксація значення одиниці в метрах декретом, а не спостереженням, дала змогу нарешті вказати час подорожі з точністю до десяти знаків після коми, замість того щоб вічно гнатися за рухомою ціллю.
Антична геометрія, сторіччя виправлень
Найдавніша відома спроба оцінити відстань Земля-Сонце вражаюче стара. Приблизно 280 року до н. е. Аристарх виміряв кут між Місяцем, Землею та Сонцем у той момент, коли Місяць перебував у фазі першої чверті, а потім використав цей кут, щоб обчислити, наскільки далеко має бути Сонце. Геометрія, що лежала в основі методу, була бездоганною; прилади тієї доби — ні, і отримана відстань виявилася далекою від реальності.
Минуло чимало часу, перш ніж хтось всерйоз оскаржив цю похибку. У 1635 році фламандський астроном Годфруа Вандлен повторив спостереження Аристарха і виявив, що цифра Птолемея була помилковою щонайменше в одинадцять разів. Через кілька десятиліть стали на місце ще два фрагменти головоломки: у 1669 році Жан Пікар отримав надійний вимір радіуса самої Землі, встановивши його на рівні 3 269 000 туазів, а в 1676 році астроном Оле Ремер показав, що саме світло витрачає вимірюваний час на подорож — відкриття настільки корисне, що астрономи почали описувати відстань Сонце-Земля через час, за який світло її долає, і ця звичка прижилася.
Назвати мірку, а потім її вдосконалити
Для поняття, на яке астрономи спиралися ще з давнини, назва з'явилася на диво пізно: термін «астрономічна одиниця» вперше застосували лише 1848 року.
Значення, що стояло за цією назвою, продовжували уточнювати аж до ХХ сторіччя. Один особливо корисний поштовх дала космічна брила, що пролітала повз: астрономи використали щойно відкритий навколоземний астероїд 433 Ерос та його тісне зближення із Землею в 1900-1901 роках, щоб уточнити паралактичні вимірювання і значно вдосконалити цифру астрономічної одиниці.
Венера перетинає Сонце
Окремо від полювання на астероїд, одна повторювана небесна подія стала улюбленим інструментом астрономів для визначення одиниці: проходження Венери, коли планета проходить безпосередньо перед диском Сонця, як це видно із Землі. Відколи астрономи усвідомили ці проходження в 1631 році, їхня рідкісність — і потенціал допомогти виміряти Сонячну систему — продовжували притягувати експедиції протягом сторіч.
Першим, хто справді зафіксував таке проходження, був англійський астроном Джеремая Хоррокс, який спостерігав за Сонцем зі свого дому в Мач-Хулі 4 грудня 1639 року. Понад століття по тому проходження 1761 року принесло власний прорив: російський науковець Михайло Ломоносов, який вів спостереження з Імператорської академії наук у Санкт-Петербурзі, — постать, якій уже давно приписують відкриття того, що Венера взагалі має атмосферу.
Проходження Венери трапляються з нерегулярним ритмом, а не за акуратним розкладом, що частково пояснює, чому виставка Смітсонівського інституту побудувала свою розповідь саме навколо них: вона відзначила шосте спостережене проходження, яке відбулося в червні 2004 року, як найновіший запис у гонитві, що тривала сторіччями.
Числа Ньюкома
Американський астроном Саймон Ньюком підійшов до цього питання з двох різних напрямків, і обидва результати варті уваги. Опрацьовуючи старіші дані про сонячний паралакс, він вивів значення 8″,87 — цифру, яку сучасники визнали значно надійнішою за конкурентний розрахунок Поваля. Підійшовши до проблеми з іншого боку, Ньюком також об'єднав спостережні дані останніх чотирьох проходжень Венери й отримав відстань Земля-Сонце 149,59 плюс-мінус 0,31 мільйона кілометрів — діапазон, який уже охоплював значення, яким астрономи користуються сьогодні.
Власна орбіта Землі, виміряна в АО
Астрономічна одиниця, зрештою, є описом власного шляху Землі, тож варто поглянути безпосередньо на цю орбіту. Шлях Землі тримає її в середньому на відстані близько 149,60 мільйона кілометрів від Сонця, що еквівалентно приблизно 8,317 світлової хвилини — достатньо близько до визначеної астрономічної одиниці, щоб обидві цифри описували, по суті, той самий вимір.
Проходження цієї орбіти вимагає швидкості, якої більшість об'єктів на Землі ніколи не досягає: наша планета рухається із середньою швидкістю 29,78 кілометра за секунду — достатньо швидко, щоб перетнути власний діаметр за 7 хвилин і подолати всю відстань до Місяця приблизно за 4 години.
Сусіди, близькі й далекі
Щойно астрономічну одиницю визначили, вона стала природною міркою для опису всього іншого в Сонячній системі, включно з планетами.
Юпітер, найбільша планета, розташований на відстані 5,2 АО від Сонця. Нептун, найвіддаленіша планета, обертається більш ніж у п'ять разів далі, на відстані 30 АО — відстань, яку інакше довелося б щоразу виписувати числами розміру відстані Земля-Сонце, планета за планетою.
Це тихий підсумок дуже довгих зусиль: єдине фіксоване число, здобуте завдяки античним трикутникам, проходженням і випадковому астероїду, яке тепер дає змогу астрономам описувати цілу Сонячну систему однією узгодженою одиницею.