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我們都知道，表示距離的常見(jiàn)單位有米和千米。但在天文學(xué)上，這些單位用起來(lái)就很不方便，因?yàn)樘煳膶W(xué)上的距離遠(yuǎn)到?jīng)]法用常見(jiàn)的單位來(lái)丈量，即便是千米，也只適用于距離很近的天體。

因此，在天文學(xué)上，人們建立了一些新的距離單位，其中最小、最基本的一個(gè)就叫做“天文單位”，縮寫(xiě)為AU。

1個(gè)天文單位指的就是地球到太陽(yáng)的平均距離，約為1.5億千米，那么下面我們就來(lái)介紹一下這個(gè)單位的由來(lái)。

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地球到太陽(yáng)的距離是如何計(jì)算出來(lái)的

我們先說(shuō)說(shuō)地球到太陽(yáng)有多遠(yuǎn)，這個(gè)問(wèn)題從兩千多年前人們就開(kāi)始思考了。古希臘科學(xué)家阿里斯塔克在《關(guān)于太陽(yáng)和月亮的大小和距離》一書(shū)中，根據(jù)日月的角直徑和半月時(shí)日月之間的角度，計(jì)算出太陽(yáng)到地球的距離是月亮到地球距離的18到20倍（實(shí)際倍率約為389倍）。

托勒密關(guān)于日月的大小和距離的計(jì)算，圖片來(lái)源：wiki

托勒密先是測(cè)量了月亮的視差，計(jì)算出月球到地球的距離是地球半徑的64倍左右。然后，比較了太陽(yáng)和月球視覺(jué)上的大小，得出了太陽(yáng)的大小約等于月球的大小。

最后，根據(jù)月食期間月球穿過(guò)地球陰影錐的直徑等數(shù)據(jù)，計(jì)算出太陽(yáng)到地球距離為地球半徑的1210倍（實(shí)際倍率約為23455倍）。這個(gè)距離大約是地月距離的19倍，與阿里斯塔克的結(jié)果基本一致。

到了中世紀(jì)，先后有許多阿拉伯天文學(xué)家也計(jì)算過(guò)太陽(yáng)的距離，結(jié)果都與托勒密的計(jì)算相差不多。

直到16世紀(jì)，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明使天文觀測(cè)數(shù)據(jù)變得更加精確，天文學(xué)家們找到了新的觀測(cè)方法，那就是利用金星凌日來(lái)測(cè)量太陽(yáng)的視差。

通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同位置的凌日，可以計(jì)算出金星的視差，再根據(jù)地球和金星與太陽(yáng)的相對(duì)距離，得到太陽(yáng)視差，便可計(jì)算出太陽(yáng)的距離。

英國(guó)天文學(xué)家耶利米霍·洛克斯（Jeremiah Horrocks）利用1639年發(fā)生的金星凌日，計(jì)算出太陽(yáng)視差為15″，由此得出日地距離為13750倍地球半徑。

而荷蘭天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）在對(duì)比了金星和火星的大小后，認(rèn)為這個(gè)距離應(yīng)該更大。他估算太陽(yáng)視差為8.6″，所以日地距離應(yīng)該為24000倍地球半徑，但是由于沒(méi)有觀測(cè)證據(jù)，這樣的說(shuō)法并沒(méi)有得到認(rèn)可。

金星穿越太陽(yáng)表面，圖片來(lái)源：wiki

到了1672年，法國(guó)天文學(xué)家讓·里奇（Jean Richer）和意大利天文學(xué)家喬瓦尼·多梅尼克·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）在火星沖日時(shí)重新測(cè)量了火星視差，修正后得到的太陽(yáng)視差值為9.5″，由此計(jì)算出日地距離為22000倍地球半徑，這個(gè)距離在當(dāng)時(shí)得到了普遍認(rèn)可。

而利用金星凌日來(lái)測(cè)量太陽(yáng)距離的方法也開(kāi)始得到長(zhǎng)期和廣泛的使用。

利用金星凌日觀測(cè)的示意圖，圖片來(lái)源：wiki

到了19世紀(jì)，人們有了更多的方法和更好的儀器來(lái)進(jìn)行觀測(cè)，而到了20世紀(jì)，得益于雷達(dá)和遙測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，太陽(yáng)到地球距離的測(cè)量精度已經(jīng)可以達(dá)到米的級(jí)別了。

2

重新定義天文單位

地球圍繞太陽(yáng)的軌道是一個(gè)橢圓，這個(gè)橢圓的半長(zhǎng)軸被定義為連接近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)的直線段的一半，太陽(yáng)的中心位于這條直線段上，但是不在中點(diǎn)。

由于橢圓形在數(shù)學(xué)上定義了確切的形狀，所以整個(gè)軌道的計(jì)算以及基于此的預(yù)測(cè)就可能會(huì)實(shí)現(xiàn)。

橢圓軌道的長(zhǎng)半軸也成為了地球在一年中所經(jīng)過(guò)的最大距離，這個(gè)距離對(duì)于我們的觀測(cè)是非常重要的，因?yàn)樵趯?duì)其他天體進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，都要以這條線段作為基準(zhǔn)線。

測(cè)量天體的基準(zhǔn)線，圖片來(lái)源：wiki

進(jìn)入20世紀(jì)，天體測(cè)量變得越來(lái)越精確，因此對(duì)基準(zhǔn)的要求也越來(lái)越高。1976年，為了給天文單位建立一個(gè)更加精準(zhǔn)的度量，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）正式采用了一個(gè)新的定義，并用符號(hào)A來(lái)表示天文單位的長(zhǎng)度。

根據(jù)定義，一個(gè)天文單位是：圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)具有無(wú)窮小質(zhì)量的粒子，以每天0.01720209895弧度的角頻率運(yùn)動(dòng)，其軌道半徑為一個(gè)天文單位。

這個(gè)定義下，天文單位的具體數(shù)值要取決于日心引力常數(shù)，即引力常數(shù)和太陽(yáng)質(zhì)量的乘積。而這兩個(gè)數(shù)值單獨(dú)拿出來(lái)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量值都不夠精準(zhǔn)，這樣一來(lái)，這個(gè)定義的精準(zhǔn)度也就不會(huì)太高。

隨著空間測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，我們獲得的天體位置精度越來(lái)越高，一些之前可以忽略的誤差也開(kāi)始被重視。于是，人們不得不重新定義天文單位。

2012年8月，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)重新定義了天文單位，這次不再用物理量來(lái)表示，而是直接定義為149597870700米，其符號(hào)也改為AU。

雖然重新定義還了天文單位，但是重要性卻有所降低，僅是為了某些應(yīng)用能夠更便利。

天文單位示意圖，圖片來(lái)源：wiki

目前天文單位僅在行星系統(tǒng)內(nèi)的尺度描述以及作為三角測(cè)距的基線中被使用。

而且隨著太陽(yáng)能量的不斷輻射，太陽(yáng)會(huì)不斷失去質(zhì)量，所以行星的軌道也在不斷地向外擴(kuò)張。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，行星軌道單位距離的增加大約為每世紀(jì)15米，這個(gè)數(shù)字相對(duì)天體之間的距離簡(jiǎn)直微乎其微，但是，仍有一些人呼吁放棄天文單位這個(gè)度量。

未來(lái)，我們或許會(huì)采用其他單位或方式表示這個(gè)最小的基本距離，但目前來(lái)說(shuō)，天文單位在太陽(yáng)系的范圍內(nèi)使用頻率還是很高。

END

審核專家：魯旸筱懿，行星物理學(xué)博士。

蝌蚪五線譜原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載注明來(lái)源

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