Astronomická jednotka (AU)

Když se astronomové dívají do vesmíru, potřebují spolehlivý „metr“, kterým by mohli poměřovat vzdálenosti. Tím úplně prvním a nejzákladnějším metrem, od kterého se odvíjejí všechny ostatní vzdálenosti ve vesmíru, je astronomická jednotka (značka AU, někdy též au či a.u. z anglického astronomical unit).

Zjednodušeně řečeno: Astronomická jednotka představuje střední vzdálenost Země od Slunce. Je to základní stavební kámen pro pochopení proporcí nejen naší sluneční soustavy, ale i cizích planetárních systémů.

Proč vlastně astronomickou jednotku potřebujeme?

Představme si, že bychom k měření vzdáleností ve sluneční soustavě používali kilometry. Například průměrná vzdálenost Pluta od Slunce je zhruba 5 900 000 000 kilometrů. Pokud bychom chtěli popsat vzdálenost komety v Oortově oblaku, dostali bychom se k číslům s deseti nebo dvanácti nulami.

Takový zápis je nejen nepřehledný, ale pro lidský mozek i naprosto neuchopitelný. Zavedením astronomické jednotky se celý systém zjednoduší a získá jasné měřítko založené na naší domovské planetě:

Země je od Slunce vzdálena 1 AU.
Vše, co je k planetě Slunci blíž než 1 AU, je uvnitř dráhy Země.
Vše, co má hodnotu vyšší než 1 AU, leží za oběžnou drahou Země.

Díky tomuto systému okamžitě víme, že pokud je Jupiter vzdálen od Slunce zhruba 5,2 AU, znamená to, že je něco málo přes pětkrát dále než my.

Přesná moderní definice (Revoluce z roku 2012)

Může to znít překvapivě, ale dlouhá staletí astronomové znali relativní vzdálenosti planet (věděli, že Jupiter je pětkrát dál než Země), ale neznali přesnou hodnotu astronomické jednotky v kilometrech.

Až do 20. století se definice AU odvíjela od takzvané Gaussovy gravitační konstanty a hmotnosti Slunce. Měla však jeden zásadní problém: Slunce neustále ztrácí hmotnost (kvůli jaderné fúzi a slunečnímu větru), což znamenalo, že i samotná astronomická jednotka se v čase nepatrně měnila! Dráha Země navíc není dokonalá kružnice, ale elipsa, takže v lednu jsme Slunci blíž (perihélium) a v červenci dál (afélium).

Aby se zabránilo zmatkům a rostoucím nepřesnostem v moderní astrodynamice (navigaci vesmírných sond), Mezinárodní astronomická unie (IAU) přistoupila v srpnu 2012 na svém kongresu v Pekingu k radikálnímu kroku.

Astronomická jednotka byla odpoutána od hmotnosti Slunce i od reálné oběžné dráhy Země a byla jí přiřazena absolutně pevná, neměnná hodnota v metrech:

1 AU = přesně 149 597 870 700 metrů (zhruba 149,6 milionu kilometrů)

Tato hodnota už se nikdy nezmění, i kdyby se dráha Země vychýlila nebo by Slunce ztratilo část své hmoty. Z AU se tak stala pevná fyzikální konstanta. Světlu ze Slunce trvá přibližně 8 minut a 20 sekund, než tuto vzdálenost (1 AU) urazí a dopadne na Zemi.

Historie dobývání astronomické jednotky

Cesta k nalezení přesné hodnoty AU v kilometrech představuje jeden z největších detektivních příběhů v dějinách vědy. Byla to otázka, která trápila astronomy přes 2000 let.

1. Antické pokusy (Aristarchos ze Samu)

Ve 3. století př. n. l. se řecký matematik Aristarchos pokusil změřit vzdálenost Slunce pomocí geometrie měsíčních fází. Změřil úhel mezi Sluncem a Měsícem v okamžiku, kdy byl Měsíc v první čtvrti. Získal hodnotu 87 stupňů a vypočítal, že Slunce je 20krát dále než Měsíc. Ačkoliv byla jeho metoda logicky správná, kvůli nedostatku přesných přístrojů byl úhel špatný (skutečný úhel je 89° 50′). Ve skutečnosti je Slunce téměř 400krát dál než Měsíc.

2. Zlatý věk renesance (Koperník a Kepler)

Díky Mikuláši Koperníkovi a Johannesu Keplerovi jsme na začátku 17. století získali dokonalou mapu relativních vzdáleností ve sluneční soustavě. Keplerovy zákony umožnily spočítat oběžné dráhy všech tehdy známých planet v násobcích AU. Věděli, jak vypadá plánek, ale neměli k němu měřítko. Pokud by určili vzdálenost k jediné planetě v kilometrech, zbytek soustavy by šel snadno dopočítat.

3. Cassini a expedice na Mars (1672)

První skutečně vědecký odhad přinesl italsko-francouzský astronom Giovanni Domenico Cassini. Spolu s kolegou Jeanem Richerem využili metodu paralaxy. Zatímco Cassini zůstal v Paříži, Richer odcestoval do Cayenne ve Francouzské Guyaně. Oba ve stejný okamžik pozorovali planetu Mars proti pozadí vzdálených hvězd. Z jejich zdánlivého posunu spočítali vzdálenost Marsu od Země a z toho následně odvodili hodnotu 1 AU na zhruba 140 milionů kilometrů. Na svou dobu to byl neuvěřitelně přesný výsledek!

4. Halley a přechody Venuše

Anglický astronom Edmond Halley si uvědomil, že nejlepší způsob, jak zpřesnit AU, je pozorovat vzácný nebeský úkaz: přechod (tranzit) planety Venuše přes sluneční disk. Tyto přechody nastávají v párech s odstupem více než 100 let. Halley vyzval budoucí generace astronomů, aby během tranzitů v letech 1761 a 1769 cestovali do nejvzdálenějších koutů světa a měřili přesné časy, kdy Venuše vstoupí a vystoupí ze slunečního kotouče. (Kvůli tomuto úkazu dokonce slavný kapitán James Cook plul na Tahiti). Z těchto expedic byla hodnota AU zpřesněna na cca 153 milionů km.

5. Moderní éra (Radary a vesmírné sondy)

V roce 1961 začala éra radiolokace. Vědci vyslali silné radarové pulzy k Venuši a Měsíci a měřili čas, za který se ozvěna vrátí zpět na Zemi. Protože znali rychlost světla, dokázali vzdálenost určit s přesností na stovky metrů. Dnes dokážeme AU měřit s přesností na metry díky telemetrii sond, které krouží kolem jiných planet (např. sondy na orbitě Marsu).

Kde všude se Astronomická jednotka používá?

I když je astronomická jednotka „ušitá na míru“ sluneční soustavě, její uplatnění je mnohem širší:

Měření uvnitř sluneční soustavy: Je to základní standard pro navigaci vesmírných sond, popis drah planet, komet a hranic naší soustavy (např. Kuiperův pás začíná zhruba na 30 AU a končí na 50 AU).
Architektura exoplanetárních systémů: Když astronomové objeví planetu u cizí hvězdy, její vzdálenost udávají téměř vždy v AU. Umožňuje to okamžité srovnání s naší Zemí. Zjistíme-li, že cizí planeta obíhá hvězdu podobnou Slunci ve vzdálenosti 1 AU, víme, že leží v takzvané obyvatelné zóně (habitable zone).
Základ pro výpočet parseku: Astronomická jednotka tvoří nejnižší stupínek takzvaného žebříčku kosmických vzdáleností. Přesná znalost AU je absolutně nezbytná pro definici parseku (pc), ze kterého se následně počítají vzdálenosti nejbližších hvězd i celých galaxií.

Pro představu: Vzdálenosti ve sluneční soustavě vyjádřené v AU

Abyste získali lepší cit pro to, jak velká astronomická jednotka ve skutečnosti je, zde je přehled klíčových objektů naší soustavy a jejich průměrné vzdálenosti od Slunce:

Merkur: 0,39 AU
Venuše: 0,72 AU
Země: 1,00 AU
Mars: 1,52 AU
Hlavní pás planetek (Ceres): cca 2,77 AU
Jupiter: 5,20 AU
Saturn: 9,58 AU
Uran: 19,20 AU
Neptun: 30,05 AU
Pluto: 39,48 AU
Heliopauza (hranice slunečního větru): cca 120 AU
Sonda Voyager 1 (nejvzdálenější lidský výtvor v roce 2024): přes 162 AU
Vnitřní okraj Oortova oblaku: cca 2 000 AU až 5 000 AU
Konec Oortova oblaku (gravitační hranice Slunce): zhruba 100 000 AU

Jak je vidět, zatímco v blízkosti Slunce se astronomická jednotka hodí perfektně, na vnějších hranicích našeho vlivu (Oortův oblak, který sahá až do vzdálenosti 100 000 AU) pomalu přestává stačit. V ten okamžik na scénu nastupuje Světelný rok (ly), kterému se budeme věnovat v další kapitole.