Phương pháp đo khoảng cách tới sao và thiên hà

Việc nhìn một ngôi sao trên bầu trời, vốn chỉ hiện lên biểu kiến dưới dạng một chấm sáng nhỏ và ước tính khoảng cách của nó dường như rất mơ hồ.

Câu hỏi đặt ra là các nhà thiên văn xác định khoảng cách của chúng thế nào?

Đo khoảng cách từ chúng ta tới các ngôi sao và thiên hà trong vũ trụ luôn là một vấn đề lớn, bài toán khó ngay cả với những thiết bị hiện đại ngày nay.

Các nhà thiên văn hiện đại đã có những công cụ rất mạnh để quan sát các ngôi sao và thiên hà, tuy nhiên để xác định tương đối chính xác khoảng cách của một ngôi sao thì chúng ta chưa có bất cứ một phương pháp tối ưu nào.

Thường phải kết hợp nhiều phương pháp hoặc sử dụng kết quả đo của rất nhiều lần. Dưới đây là một số phương pháp hay được sử dụng.

Mô phỏng các cách đo khoảng cách giữa Trái đất, Mặt trời và Dải Thiên hà.

Thị sai (Parallax)

Đây là phương pháp áp dụng phổ biến cho những sao gần trong thiên hà của chúng ta, nằm cách Hệ Mặt trời vài trăm hoặc tối đa là hơn 1.000 năm ánh sáng.

Để hiểu thị sai là gì thì hãy thử làm theo cách thông dụng sau: Giơ một ngón tay của bạn lên phía trước mặt, sau đó nhắm một mắt lại, chỉ nhìn nó bằng một mắt, bạn sẽ thấy nó nằm ở một vị trí nhất định so với nền khung cảnh phía sau.

Tiếp đó, nhắm mắt lại và mở mắt kia ra mà không thay đổi vị trí của đầu ngón tay, lúc này bạn sẽ thấy vị trí ngón tay so với nền khung cảnh phía sau đã thay đổi do góc nhìn đã thay đổi.

Hiện tượng thay đổi vị trí tương đối của các vật thể khác nhau do sự thay đổi góc nhìn này gọi là thị sai. Phương pháp trên được áp dụng rất phổ biến trong thiên văn, người ta xác định khoảng cách của các thiên thể qua sự thay đổi góc nhìn với chúng.

Với Mặt trăng và một số thiên thể gần trong Hệ Mặt trời, việc tính thị sai được thực hiện khá đơn giản và nhanh gọn. Chúng ta biết rằng Trái đất tự quay quanh trục của nó theo chu kỳ 24 giờ. Chu kỳ này nhỏ hơn nhiều so với chu kỳ quỹ đạo của Mặt trăng quanh Trái đất và các hành tinh quanh Mặt trời.

Do đó về cơ bản có thể mặc định rằng trong khoảng 12 giờ (nửa ngày), vị trí của các thiên thể này trên quỹ đạo không thay đổi. Vấn đề tỏ ra khá dễ dàng là chỉ cần xác định sự thay đổi góc nhìn tới thiên thể trong cùng một ngày bằng cách so sánh vị trí của chúng trên nền trời sao ở hai thời điểm trong ngày.

Cách tính thị sai xác định khoảng cách Mặt trăng qua việc quan sát nó vào hai thời điểm khác nhau trong ngày, trong đó một trong hai thời điểm là Mặt trăng ở vị trí trực diện, tức là hướng nhìn vuông góc với tiếp tuyến Trái đất tại vị trí người quan sát.

Do vị trí của người quan sát thay đổi (vì Trái đất tự quay) nên vào hai thời điểm khác nhau, người quan sát thấy Mặt trăng ở vị trí khác nhau so với nền trời sao.

Từ đó, người ta xác định góc thị sai là góc giữa hướng nhìn Mặt trăng ở vị trí ban đầu so với nền trời sao và hướng nhìn ở thời điểm sau. Chúng ta cũng đồng thời biết chính xác khoảng cách giữa hai vị trí quan sát (khoảng dịch chuyển do sự tự quay của Trái đất).

Như vậy, ta có một tam giác vuông đã biết một cạnh góc vuông và góc đối diện, từ đó tính ngay ra cạnh góc vuông còn lại bằng công thức tính lượng giác đơn giản. Cạnh góc vuông còn lại này là khoảng cách tương đối từ Trái đất tới Mặt trăng.