Mặt trời là trung tâm của hệ mặt trời của chúng ta. Tất cả các thiên thể trong hệ mặt trời, bao gồm các hành tinh, thiên thạch, sao chổi, v.v., đều xoay quanh nó. Khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời được gọi là đơn vị thiên văn (au). Một đơn vị au hiện được định nghĩa là 149.597.870.700 mét.
Theo trang vũ trụ, các nhà thiên văn học sử dụng đơn vị au để đo mọi khoảng cách trong hệ mặt trời. Ví dụ, Sao Mộc cách Mặt trời 5,2 AU, trong khi Sao Hải Vương cách trung tâm Hệ Mặt trời 30,07 AU. Ở rìa ngoài cùng của Hệ Mặt trời, Đám mây Oort, được cho là cái nôi của các sao chổi, nằm cách Mặt trời 100.000 AU. Khoảng cách đến ngôi sao gần nhất, Proxima Centauri, là khoảng 250.000 au. Tuy nhiên, để đo khoảng cách xa hơn, các nhà thiên văn học sử dụng năm ánh sáng hoặc khoảng cách ánh sáng di chuyển trong một năm Trái đất — tương đương với 63.239 đơn vị thiên văn. Vì vậy, theo Proxima Centauri, cách Mặt trời 4,2 năm ánh sáng.
Quỹ đạo elip
Đơn vị thiên văn (au) là khoảng cách trung bình từ Trái đất đến Mặt trời. Cứ 365,25 ngày—tức là 1 năm, trái đất lại quay quanh tâm hệ mặt trời một vòng. Tuy nhiên, quỹ đạo của Trái đất không phải là một hình tròn hoàn hảo mà giống hình bầu dục hoặc elip hơn. Trong năm, trái đất đôi khi di chuyển gần mặt trời hơn và đôi khi xa hơn. Điểm tiếp cận gần nhất của trái đất với mặt trời, được gọi là điểm cận nhật, xảy ra vào đầu tháng 1 ở khoảng cách khoảng 146 triệu km. Thời điểm trái đất cách xa mặt trời nhất, khoảng 152 triệu km, được gọi là điểm viễn nhật.
Xác định khoảng cách
Trong lịch sử được ghi lại, người đầu tiên đo khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời là Aristarchus vào khoảng năm 250 trước Công nguyên. Gần đây hơn, nhà thiên văn học Christian Huygens đã tính toán khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời vào năm 1653.
Ông đã sử dụng các khía cạnh của sao Kim để tìm các góc trong tam giác sao Kim-Trái đất-Mặt trời. Ví dụ, khi Sao Kim dường như được Mặt trời chiếu sáng một nửa, ba thiên thể tạo thành một tam giác đều khi nhìn từ Trái đất. Bằng cách đoán (chính xác một cách đáng ngạc nhiên) về kích thước của Sao Kim, Huygens đã có thể xác định khoảng cách của Sao Kim với Trái đất, và khi biết khoảng cách này, cùng với góc của tam giác, ông đã có thể đo được khoảng cách đến Mặt trời. Tuy nhiên, vì các phương pháp của Huygens một phần là sản phẩm của sự suy đoán và không hoàn toàn dựa trên khoa học, ông thường không được tin cậy.
Giovanni Cassini đã tìm khoảng cách từ Trái đất tới sao Hỏa trước, rồi từ đó tính toán ra khoảng cách từ Trái đất tới Mặt trời. (Ảnh: Astronomy for beginners)
Năm 1672, Giovanni Cassini đã tìm ra khoảng cách tới Sao Hỏa và đồng thời tính toán khoảng cách tới Mặt trời bằng phương pháp bao gồm sai số góc hoặc thị sai. Khi ở Paris, anh ấy đã cử một đồng nghiệp tên là Jean Richel đến Guiana thuộc Pháp. Họ đã đo vị trí của sao Hỏa so với các ngôi sao khác và lập tam giác các phép đo này với khoảng cách đã biết giữa Paris và Guyana. Một khi họ biết khoảng cách đến sao Hỏa, họ cũng có thể tính toán khoảng cách đến mặt trời. Vì phương pháp của Cassini khoa học hơn nên anh ấy thường được tin tưởng.
Phương trình mới
Với sự ra đời của tàu vũ trụ và radar, con người đã có phương tiện để đo trực tiếp khoảng cách giữa Trái đất và mặt trời. Đơn vị thiên văn (au) từng được định nghĩa là “bán kính của quỹ đạo tròn không bị xáo trộn quanh mặt trời có khối lượng vô cùng nhỏ di chuyển trung bình 0,017–209895 radian mỗi ngày. (được gọi là hằng số Gauss)” .
Ngoài việc gây ra những khó khăn không cần thiết cho các giáo sư thiên văn học, định nghĩa này thực sự không phù hợp với thuyết tương đối rộng. Sử dụng định nghĩa cũ, giá trị của au sẽ thay đổi tùy thuộc vào vị trí của người quan sát trong hệ mặt trời. Nếu một người quan sát trên Sao Mộc sử dụng định nghĩa cũ để tính khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời, kết quả sẽ sai lệch khoảng 1.000 mét so với con số tính toán trên Trái đất.
Ngoài ra, hằng số Gaussian phụ thuộc vào khối lượng của mặt trời và vì mặt trời mất đi khối lượng khi nó bức xạ năng lượng nên giá trị của au sẽ thay đổi tương ứng.
Vào tháng 8 năm 2012, Liên minh Thiên văn Quốc tế đã bỏ phiếu để chuyển đổi định nghĩa của đơn vị thiên văn sang một số cũ hơn, đơn giản hơn: 149.597.870.700 mét. Con số này dựa trên tốc độ ánh sáng, một khoảng cách nhất định không phụ thuộc vào khối lượng của mặt trời. 1 mét được định nghĩa là quãng đường ánh sáng đi được trong 1/299.792.458 giây trong chân không.
