19.1: Основні одиниці відстані

Last updated

Oct 27, 2022
Save as PDF
- 19: Небесні відстані
- 19.2: Обстеження зірок

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Зрозумійте важливість визначення стандартної одиниці відстані
Поясніть, як спочатку визначався лічильник і як він змінювався з плином часу
Обговоріть, як радар використовується для вимірювання відстаней до інших членів Сонячної системи

Перші міри відстаней базувалися на людських розмірах - дюйм як відстань між кісточками на пальці, або двір як проліт від розширеного вказівного пальця до носа британського короля. Пізніше вимоги торгівлі призвели до певної стандартизації таких одиниць, але кожна нація, як правило, встановлювала свої визначення. Лише в середині вісімнадцятого століття докладалися будь-які реальні зусилля для встановлення єдиного, міжнародного набору стандартів.

Метрична система

Одним з незмінних спадщин епохи французького імператора Наполеона є встановлення метричної системи одиниць, офіційно прийнятої у Франції в 1799 році і зараз використовується в більшості країн світу. Основною метричною одиницею довжини є метр, спочатку визначається як одна десятимільйонна відстань по поверхні Землі від екватора до полюса. Французькі астрономи сімнадцятого і вісімнадцятого століть були першопрохідцями у визначенні розмірів Землі, тому логічно було використовувати їх інформацію як основу нової системи.

Практичні проблеми існують з визначенням, вираженим в плані розмірів Землі, так як від будь-якого бажаючого визначити відстань від одного місця до іншого навряд чи можна очікувати виходу і повторного виміру планети. Тому в Парижі встановили проміжний стандартний метр, що складається з бруска платино-іридієвого металу. У 1889 році за міжнародною угодою ця планка була визначена рівно в один метр в довжину, а точні копії оригінального метрового бруса були зроблені, щоб служити стандартами для інших народів.

Інші одиниці довжини виводяться з метра. Таким чином, 1 кілометр (км) дорівнює 1000 метрам, 1 сантиметр (см) дорівнює 1/100 метра і так далі. Навіть старі британські та американські одиниці, такі як дюйм і миля, тепер визначаються з точки зору метричної системи.

Сучасні перевизначення лічильника

У 1960 році офіційне визначення лічильника було знову змінено. В результаті вдосконаленої технології генерації спектральних ліній точно відомих довжин хвиль (див. Розділ «Радіація і спектри»), вимірювач був переглянутий на рівні 1 650 763,73 довжини хвиль конкретного атомного переходу в елементі криптон-86. Перевага цього перевизначення полягає в тому, що кожен, хто має відповідним чином обладнану лабораторію, може відтворити стандартний лічильник без прив'язки до якогось конкретного металевого бруска.

У 1983 році вимірювач був визначений ще раз, на цей раз з точки зору швидкості світла. Світло у вакуумі може пройти відстань в один метр за 1/299 792,458,6 секунди. Тому сьогодні легкий час у дорозі забезпечує нашу основну одиницю довжини. Іншими словами, відстань в одну світлову секунду (кількість космічного світла охоплює за одну секунду) визначено як 299 792,458,6 метрів. Це майже 300 мільйонів метрів, що світло покриває всього за одну секунду; світло дійсно дуже швидко! Ми могли б так само добре використовувати світлову секунду як основну одиницю довжини, але з практичних міркувань (і поважати традицію) ми визначили метр як невелику частку світлової секунди.

Відстань в межах Сонячної системи

Робота Коперника та Кеплера встановила відносні відстані планет - тобто, наскільки далеко від Сонця одна планета порівнюється з іншою (див. Спостереження за небом: Народження астрономії та орбіти та гравітації). Але їх робота не змогла встановити абсолютні відстані (в світлових секундах або метрах або інших стандартних одиницях довжини). Це як знати висоту всіх учнів у вашому класі тільки в порівнянні з висотою вашого інструктора астрономії, але не в дюймах або сантиметрах. Хтось зріст повинен бути виміряний безпосередньо.

Аналогічно, щоб встановити абсолютні відстані, астрономам довелося виміряти одну відстань безпосередньо в Сонячній системі. Взагалі, чим ближче до нас об'єкт, тим легше було б такий вимір. Оцінки відстані до Венери були зроблені, коли Венера перетнула обличчя Сонця в 1761 і 1769 роках, і була організована міжнародна кампанія з оцінки відстані до астероїда Ерос на початку 1930-х років, коли його орбіта наблизила його до Землі. Зовсім недавно Венера перетнула (або перетинала) поверхню Сонця в 2004 і 2012 роках, і дозволила зробити сучасну оцінку відстані, хоча, як ми побачимо нижче, на той час вона була не потрібна (рис. $\PageIndex{1}$ ).

Якщо ви хочете отримати більше інформації про те, як рух Венери через Сонце допомогло нам закріпити відстані в Сонячній системі, ви можете звернутися до приємного пояснення астронома НАСА.

альт — Малюнок $\PageIndex{1}$ Венера перетинає Сонце, 2012. Ця вражаюча «картина» Венери, що перетинає обличчя Сонця (це чорна точка приблизно о 2 годині) - це більше, ніж просто вражаюче зображення. Взятий з космічним апаратом Сонячної Динаміки Обсерваторії і спеціальними фільтрами, він показує сучасний транзит Венери. Такі події дозволили астрономам в 1800-х роках оцінити відстань до Венери. Вони вимірювали час, який знадобився Венера, щоб перетнути обличчя Сонця з різних широт на Землі. Відмінності в часі можуть бути використані для оцінки відстані до планети. Сьогодні радар використовується для набагато більш точних оцінок відстані.

Ключем до нашого сучасного визначення розмірів сонячної системи є радар, тип радіохвилі, яка може відскакувати від твердих об'єктів (рис. $\PageIndex{2}$ ). Як обговорювалося в декількох попередніх розділах, визначаючи, скільки часу радіолокаційний промінь (подорожує зі швидкістю світла), щоб досягти іншого світу і повернутися, ми можемо дуже точно виміряти відстань, що задіяна. У 1961 році радіолокаційні сигнали вперше відскочили від Венери, забезпечуючи пряме вимірювання відстані від Землі до Венери в умовах світлових секунд (від часу руху радіолокаційного сигналу в обидва кінці).

Згодом радар був використаний для визначення відстаней до Меркурія, Марса, супутників Юпітера, кілець Сатурна і декількох астероїдів. Відзначимо, до речі, що не можна використовувати радар для вимірювання відстані безпосередньо до Сонця, оскільки Сонце не дуже ефективно відбиває радар. Але ми можемо виміряти відстань до багатьох інших об'єктів Сонячної системи і використовувати закони Кеплера, щоб дати нам відстань до Сонця.

З різних (пов'язаних) відстаней сонячної системи астрономи вибрали середню відстань від Землі до Сонця як нашу стандартну «вимірювальну палицю» в Сонячній системі. Коли Земля і Сонце знаходяться найближче, вони знаходяться приблизно в 147,1 мільйона кілометрів один від одного; коли Земля і Сонце знаходяться найдалі, вони знаходяться приблизно в 152,1 мільйона кілометрів один від одного. Середнє значення цих двох відстаней називається астрономічною одиницею (АС). Потім ми виражаємо всі інші відстані в Сонячній системі з точки зору АС. Роки копіткого аналізу радіолокаційних вимірювань привели до визначення довжини АС з точністю близько однієї частини в мільярд. Тривалість 1 АС може бути виражена в легкому часі подорожі як 499.004854 світлових секунд, або близько 8.3 світлових хвилин. Якщо використовувати визначення лічильника, наведене раніше, це еквівалентно 1 АС = 149 597 870,700 метрів.

Ці відстані, звичайно, даються тут набагато вищим рівнем точності, ніж зазвичай потрібно. У цьому тексті ми, як правило, задовольняємося висловити цифри на пару значущих місць і залишити це на цьому. Для наших цілей досить буде округлити ці цифри:

$\begin{array}{l} \text{speed of light: } c=3 \times 10^8 \text{ m/s }= 3 \times 10^5 \text{ km/s} \\ \text{ length of light-second: ls}=3 \times 10^8 \text{ m }= 3×10^5 \text{ km } \\ \text{ astronomical unit: AU} =1.50×10^{11} \text{ m } =1.50 \times 10^8 \text{ km } =500 \text{ light-seconds} \end{array} \nonumber$

Тепер ми знаємо абсолютну шкалу відстані в нашій власній Сонячній системі з фантастичною точністю. Це перша ланка в ланцюжку космічних відстаней.

Відстані між небесними тілами в нашій Сонячній системі іноді важко зрозуміти або поставити в перспективу. Цей інтерактивний веб-сайт надає «карту», яка показує відстані за допомогою шкали в нижній частині екрана і дозволяє прокручувати (за допомогою клавіш зі стрілками) через екрани «порожнього простору», щоб дістатися до наступної планети - все, поки ваша поточна відстань від Сонця видно на шкалі.

Ключові поняття та резюме

Ранні вимірювання довжини базувалися на людських розмірах, але сьогодні ми використовуємо світові стандарти, які визначають довжини в таких одиницях, як метр. Відстані в межах Сонячної системи тепер визначаються часом, скільки часу потрібно радіолокаційні сигнали, щоб подорожувати від Землі до поверхні планети чи іншого тіла, а потім повернутися.