W kosmicznych warunkach – gdzie tysiąc, sto tysięcy, a nawet milion kilometrów to niewiele – pomiar odległości między poszczególnymi ciałami niebieskimi wykorzystujący ziemskie jednostki – kilometry i mile – byłby pozbawiony sensu.

Trudno to sobie wyobrazić, ale podróż do nawet tych obiektów w kosmosie, które możemy zobaczyć nieuzbrojonym okiem, może trwać wiele lat. Mając to na uwadze, łatwo można dojść do wniosku, że typowe jednostki odległości są nieprzydatne w skali astronomicznej. 

Lata świetlne – po co je wprowadzono?

Ziemskie pojęcie odległości i szybkości traci na znaczeniu, gdy mowa o przestrzeni kosmicznej. Wystarczy wyobrazić sobie, że sonda Helios 1 – próbnik wysłany w stronę Słońca - osiągnęła prędkość wynoszącą 96,2 km/s względem Ziemi. Sonda Helios 2 rozpędziła się do prędkości 98,9 km/s względem naszej planety. Mimo to, lot tych obiektów trwał wiele lat. To dobitnie pokazuje, z jak dużymi odległościami mamy do czynienia w skali astronomicznej. Przykładowo, dystans występujący pomiędzy Ziemią a Słońcem to 149597870 km. Trudno zapisać tą wartość, a jeszcze trudniej – odczytać i zapamiętać. Kolejnym przykładem niech będzie obszar gwiazdotwórczy najbliższy Ziemi – Mgławica Oriona, która znajduje się w odległości 1300 lat świetlnych od naszej planety. Jaki to dystans? Dokładnie 1230840000000000 km, co przekłada się na 764808515499599 mil. 

Każdy chyba przyzna, że przydatność ziemskich jednostek w pomiarze odległości astronomicznych jest żadna, tym bardziej, że wielokrotność odległości Słońca od Ziemi często jest używana w celu określenia dystansu występującego między innymi ciałami niebieskimi. Żeby łatwiej wyrazić ogrom Wszechświata, astronomowie wprowadzili odpowiednie jednostki odległości. Jedną z nich jest rok świetlny.

Mierzenie astronomicznych odległości w latach świetlnych ma jeszcze jedną zaletę – daje realny pogląd na to, jak daleko wstecz sięga się w czasie podczas prowadzonych obserwacji. Światło nie dociera do naszych oczu od razu. Potrzebuje czasu, by dotrzeć do Ziemi, a to oznacza, że wszystko, co aktualnie widzimy w kosmosie, już się wydarzyło. Dla przykładu, obserwując ciało niebieskie oddalone o 10 lat świetlnych od naszej planety, widzimy, jak wyglądało dokładnie 10 lat temu.

Rok świetlny – co to takiego?

Nazwa „rok świetlny” może sugerować, że mówimy o jednostce czasu. Nic bardziej mylnego. Rok świetlny (ly) jest odległością, jaką światło pokonuje w warunkach próżni w ciągu roku juliańskiego. Należy zdać sobie sprawę z faktu, że światło nie rozchodzi się od razu. Jego szybkość jest ograniczona i równa się 299792458 m/s. Oznacza to, że w ciągu jednej sekundy, wiązka światła przemieszcza się na odległość ok. 300000 km. 

Rok świetlny można podzielić na mniejsze jednostki: godzinę świetlną, minutę świetlną oraz sekundę świetlną. Taka skala umożliwia określenie odległości wszystkich ciał niebieskich w kosmosie, tych najbliższych względem Ziemi i tych najbardziej oddalonych. Przykładowo, odległość Księżyca od Ziemi to 1,3 sekundy świetlnej. Słońce jest oddalone od naszej planety o 8 minut świetlnych, natomiast druga najbliższa gwiazda – Proxima Centauri – o 4,22 lat świetlnych. Od granicy Układu Słonecznego, dzieli nas 11 godzin świetlnych. W skali wszechświata, nie są to szczególnie imponujące wartości. Wystarczy powiedzieć, że dystans pomiędzy Ziemią a Galaktyką Andromedy to 2,2 mld lat świetlnych. 

Dlaczego astronomowie używają prędkości wiązki światła do określania odległości w kosmosie? Wynika to z faktu, że prędkość światła jest wartością stałą w całym Wszechświecie. Poza tym, światło jest najszybciej poruszającą się falą, jaką zna człowiek.

Konwersja lat świetlnych do kilometrów

Jak obliczyć prędkość, którą w ciągu roku przebywa światło? Służy do tego następujący wzór:

365*24*60*60*300000= 9460800000000000 m

9460800000000000/1000=946800000000 km (w przybliżeniu 9,5 bln km);
gdzie: 365 to liczba dni w roku, 24 to liczba godzin w dobie, 60 to liczba minut w godzinie, 60 to liczba sekund w minucie, 300000 to prędkość wyrażona w km, jaką światło pokonuje w ciągu jednej sekundy. 

Zastosujmy teraz odwrotną konwersję, czyli przeliczmy lata świetlne na kilometry. Można to zrobić za pomocą następującego wzoru:

x*946800000000=liczba km;
gdzie x to liczba lat świetlnych.

Przykładowo: 3(lata świetlne)*946800000000=2840400000000 km. 

Jednostki dla gwiazd i innych ciał niebieskich - jednostka astronomiczna, parsek, redshift

Lata świetlne i jednostki utworzone przez podział roku świetlnego nie są jedynymi, których używają astronomowie. Pozostałe jednostki odległości, mające zastosowanie w odniesieniu do przestrzeni kosmicznej, to: jednostka astronomiczna, parsek, redshift.

Jednostka astronomiczna (au)

Mówiąc o jednostce astronomicznej, na myśli należy mieć uśrednioną odległość między Ziemią a Słońcem. 1 au to 149597870 km lub 0,000004848136811136 ly. Taka miara jest na tyle obrazowa, że z powodzeniem może być używana do określania odległości w Układzie Słonecznym. Z jej pomocą, można wyobrazić sobie dystans między naszą planetą a innym ciałem niebieskim jako wielokrotność odległości Słońca od Ziemi. Przykładowo, odległość Marsa od Słońca to 1,52 au, czyli Czerwoną Planetę dzieli od Słońca ponad półtorej odległości Ziemia-Słońce. Wartość jednostki 1 au została ustalona w drugiej połowie 2012 roku, podczas spotkania Międzynarodowej Unii Astronomicznej w Pekinie. 

Parsek (pc)

Parsek (paralaksy-sekundy) to odległość, z jakiej połowa wielkiej orbity ziemskiej jest widoczna jako łuk o długości wynoszącej jedną sekundę kątową. W ciągu roku zmienia się kąt, pod jakim możemy obserwować gwiazdy bliższe na tle gwiazd dalszych – wartość ta jest inna latem, a inna zimą. Mamy tu do czynienia ze zjawiskiem paralaksy, czyli pozornej zmiany położenia obiektu na sferze niebieskiej względem dalej położonych obiektów, które jest rezultatem zmiany miejsca obserwacji, wywołanej przemieszczaniem się obserwatora. W momencie, gdy różnica w położeniu gwizdy bliskiej latem i zimą jest równa jednej sekundzie kątowej (1/3600 stopnia), mamy do czynienia z odległością jednego parseka. O jakiej odległości mowa? 1 parsek to dokładnie 3,2616 ly albo 206265 au.

Redshift (z)

Redshift to jednostka astronomiczna, której skala jest oparta na założeniu, że każde ciało niebieskie jest tym dalej względem naszego położenia, im szybciej się oddala. Szybkość oddalania jest w tym przypadku możliwa do określenia dzięki efektowi Dopplera. Widmo oddalających się ciał niebieskich jest bardziej czerwone, jeżeli natomiast zbliżają się do naszego położenia, ich widmo staje się bardziej niebieskie. Im bardziej zwiększa się przesunięcie koloru w stronę czerwieni, tym bardziej dany obiekt oddala się od nas. Redshift najdalszych obiektów, które są znane człowiekowi, osiąga wartość 10.