Khoảng cách thiên văn học

Khoảng cách thiên văn học

Điều căn bản cho sự hiểu biết cơ bản nhất của vũ trụ là nắm bắt được những khái niệm về quy mô rộng lớn về khoảng cách và quy mô vượt ra ngoài phạm vi nhỏ của thế giới nhỏ bé của chúng ta. Sự chuyển đổi bầu trời hai chiều thành ba chiều chúng ta biết ngày hôm nay là một sự hoan nghênh lớn lao đối với sự khéo léo của con người. 

Đo khoảng cách của ngôi sao bằng phương pháp thị sai.

 

Đơn vị đo khoảng cách trong thiên văn học.

Đơn vị đo khoảng cách trong thiên văn học

• 1 đơn vị thiên văn (1AU) = $1.5 x 10^{11}$ m .
• 1 năm ánh sáng (1 ly) = $9.46 x  10^{15}$ m.
• 1 parsec (1 pc) = $3.08 x 10^{16}$ m = 3.26 ly

Sự ra đời của sự hiểu biết này bắt đầu vào năm 200 trước Công Nguyên khi Eratosthenes, sử dụng các nguyên lý hình học cơ bản, tính chu vi của trái đất đến độ chính xác 1%. Cho đến khi vào thế kỷ 18 và 19 các kiến thức tích lũy và quan sát đã tiết lộ tỷ lệ về khoảng cách của hệ mặt trời của chúng ta. Một lần nữa sử dụng đường kính đã biết của trái đất như là một đường cơ sở, phép tính toán tam giác cơ bản cung cấp phương tiện để tính khoảng cách đến các hành tinh và các ngôi sao gần nhất. Kỹ thuật này được gọi là "thị sai" và vẫn được sử dụng ngày nay để tính khoảng cách lên tới khoảng 150 năm ánh sáng.

Đơn vị parsec trong thiên văn học. Theo Wikipedia.

Phương pháp thị sai trong thiên văn học.

 

Kỹ thuật thị sai để đo khoảng cách các ngôi sao so với Trái Đất trong khoảng 150 năm ánh sáng.

Khoảng cách của các vật thể bầu trời sâu (các vật thể nằm ngoài hệ mặt trời của chúng ta) được đo bằng năm ánh sáng và không thể được tính bằng kỹ thuật thị sai. Một năm ánh sáng là khoảng cách ánh sáng đi được trong một năm tương đương khoảng 9 nghìn tỷ km, hoặc 63.241 lần khoảng cách giữa trái đất và mặt trời. Biết rằng ánh sáng có thể  di chuyển quanh trái đất 7 lần trong một giây thực sự là một sự thật thú vị để bắt đầu cung cấp cho người đọc một ý tưởng thực sự xa như thế nào đối với một năm ánh sáng. Những sự kiện đơn giản này sẽ cho phép chúng ta đánh giá sâu hơn về khoảng cách khổng lồ đối với các vật thể bầu trời gần đó trong thiên hà của chúng ta.
 
Nhiều ngôi sao chúng ta nhìn thấy trên bầu trời vào ban đêm nằm trong phạm vi 100 năm ánh sáng so với trái đất. Ngôi sao gần Trái Đất nhất là Alpha Centuri nằm ở cách 4 năm ánh sáng. Tinh vân chung và các cụm sao trong thiên hà của chúng ta nằm cách xa vài trăm ngàn năm ánh sáng. Các vật thể xa nhất trong thiên hà của chúng ta trong tầm nhìn xa kính thiên văn của chúng ta cách xa hàng chục ngàn năm ánh sáng. Dải Ngân Hà, thiên hà mẹ của chúng ta, trải dài 100.000 năm ánh sáng và chứa khoảng 200 tỷ mặt trời. Đi du lịch theo tốc độ phi thuyền thông thường sẽ cần hơn 1 tỷ năm để vượt qua thiên hà!
 

Khoảng cách giữa Trái Đất tới các đối tượng tính bằng thời gian ánh sáng di chuyển được.

Bước tiếp theo là khoảng giữa các thiên hà. Thiên hà gần nhất tương tự như thiên hà của chúng ta là Thiên hà Andromeda cách 2,5 triệu năm ánh sáng. Khi chúng ta quan sát thiên hà Andromeda qua thị kính của kính thiên văn, chúng ta đang quan sát một hình ảnh từ quá khứ xa xôi. Ánh sáng của Andromeda bắt đầu cuộc hành trình của nó về phía trái đất khoảng 2,5 triệu năm trước, vào một kỷ nguyên tương ứng với thời kỳ xuất hiện của con người.

Quan sát hoặc chụp ảnh các vật thể dưới bầu trời cho chúng ta một cơ hội tuyệt vời để nhìn lại thời gian qua một cỗ máy thời gian vũ trụ. Được xem như đã tồn tại hàng ngàn hoặc thậm chí hàng triệu năm trước, các vật thể vẫn còn bị đóng băng trong thời gian cho chúng ta. Có lẽ không có khái niệm nào trong thiên văn học như sự khiêm tốn hoặc gây kinh ngạc vì khái niệm "thời gian nhìn lại". Với kính viễn vọng và máy ảnh, giờ đây chúng ta có thể khám phá các vật thể ở những khoảng cách xa hơn bao giờ hết, lần lượt nó cung cấp cho chúng ta cái nhìn về vũ trụ của chúng ta trong những kỷ nguyên xa xôi trong quá khứ. Những khái niệm khiêm tốn này khiến chúng ta tới những tỷ lệ có thể gây bối rồi về khoảng cách giữa các thiên hà. 

Khoảng cách tới các vật tương đối gần đó có thể được tính bằng cách sử dụng nguyên lý thị sai, trong đó một đối tượng di chuyển trên bầu trời trong một khoảng thời gian có thể được sử dụng để xác định khoảng cách chính xác của nó từ trái đất. Khoảng cách tới các vật thể xa hơn đòi hỏi phải có "ngọn nến tiêu chuẩn" mà các nhà thiên văn học có thể sử dụng để ước lượng khoảng cách rộng lớn đối với các vật bên ngoài thiên hà của chúng ta.
 

Phương pháp nến chuẩn để đo khoảng cách của các thiên hà xa xôi.

Một số loại sao biến thiên có mối quan hệ độ phát sáng và độ sáng cố định (sao Cepheid Variable) có tầm quan trọng rất lớn để ước tính khoảng cách tới các thiên hà trong vòng 100 triệu năm ánh sáng. Hơn 100 triệu năm ánh sáng thì các sao riêng lẻ không thể được giải quyết được bài toán này vì vậy các phương tiện khác ước lượng khoảng cách như siêu tân tinh sáng hoặc vận tốc xa dần (vì vũ trụ của chúng ta đang giãn nở, tốc độ tăng tốc của thiên hà tăng lên tương ứng với khoảng cách của chúng từ chúng ta) là những phương pháp xác định hiện tại về khoảng cách tới các thiên hà rất xa. Một trong những mục tiêu của Kính viễn vọng Không gian Hubble và các dự án thiên văn liên tục đang được thực hiện là sàng lọc các phương pháp để xác định thang đo khoảng cách của vũ trụ.

Vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay bao gồm hàng tỉ thiên hà, mỗi thiên hà chưa vô số các ngôi sao và tinh vân. Nhiều đối tượng đặc biệt là các thiên hà, ở khoảng cách rất xa, thường vượt quá khả năng của chúng ta để dễ dàng hiểu được. Nó có thể giúp hình dung các sự kiện đã xảy ra trên trái đất khi các vật thể này phóng ra ánh sáng (các photon) cổ xưa của chúng. Chẳng hạn, cụm Thiên hà Virgo hà đã giải phóng ánh sáng mà chúng ta thấy ngày nay vào một thời kỳ trùng hợp với sự tuyệt chủng của khủng long và sự gia tăng của các động vật có vú và linh trưởng, tổ tiên cổ xưa của chúng ta.