Tấm bảng chính là phép đo, được tháo rời thành từng phần. Góc dưới bên trái là quỹ đạo màu đỏ thẫm của Trái Đất, và một dấu màu xanh lam chạy trên đó: nửa năm đi, nửa năm về. Chiếc đĩa vàng ở giữa quỹ đạo là Mặt Trời, và dòng chú thích bên dưới cho biết bán kính quỹ đạo này chính là đơn vị thiên văn — chính là đáy của tam giác. Từ dấu đến ngôi sao có một đường ngắm màu ngọc lam, và có thể thấy nó xoay theo Trái Đất; đường thứ hai, nét đứt, được giữ lại để so sánh — đó là hướng của nửa năm trước. Bản thân ngôi sao ở góc trên bên phải đung đưa theo nhịp, vạch trên bầu trời một hình elip nhỏ xíu được đánh dấu bằng nét đứt đỏ thẫm: đó là độ dịch chuyển thị sai, và góc giữa các đường ngắm được ghi là một giây. Xung quanh lấp lánh các ngôi sao trong trường nhìn, trên nền của chúng mà ta nhận ra sự dịch chuyển. Dưới tất cả là một cây thước chia theo năm ánh sáng, và dấu vàng trên đó chạm tới ba phẩy hai mươi sáu — số năm ánh sáng trong một parsec. Các chữ lớn ở giữa là ký hiệu, giống nhau trong mọi ngôn ngữ, và bên dưới là giá trị tính bằng mét.
Khoảng cách · thiên văn học và vũ trụ học
Parsec
Đơn vị ngoài SI · đại lượng: khoảng cách · được định nghĩa qua một góc một giây
Cách duy nhất để đo khoảng cách tới một ngôi sao mà không phải ra khỏi nhà là chờ nửa năm. Trong thời gian đó Trái Đất chuyển sang phía bên kia quỹ đạo, và một ngôi sao gần hơi dịch đi trên nền các ngôi sao xa: trước sang trái, rồi sang phải. Một nửa độ dịch chuyển ấy, biểu thị bằng giây cung, gọi là thị sai, và khoảng cách đã nằm sẵn trong đó. Parsec chính là khoảng cách mà tại đó thị sai đúng bằng một giây.
Tên gọi cũng từ đó mà ra: “thị sai” cộng “giây”, ghép lại vào năm 1913, khi các nhà thiên văn đã chán viết những lời mô tả dài dòng trong các danh lục. Cùng với tên gọi là sự tiện lợi chính: khoảng cách tính bằng parsec bằng một chia cho thị sai tính bằng giây, nên người quan sát chẳng phải quy đổi gì cả — chỉ cần lấy nghịch đảo con số đo được. Một parsec dài hơn ba năm ánh sáng một chút và đúng bằng hai trăm linh sáu nghìn hai trăm sáu mươi tư phẩy tám đơn vị thiên văn.
Các góc ở đây nhỏ đến kinh hoàng: một giây là đồng xu hai xăng-ti-mét nhìn từ bốn ki-lô-mét, và ngay cả ngôi sao gần nhất cũng có thị sai chưa tới một giây. Vì vậy toàn bộ lịch sử của đơn vị này là lịch sử của những dụng cụ nhận ra những rung động ngày càng nhỏ hơn: Bessel năm 1838 bắt được một phần ba giây, vệ tinh Hipparcos vào những năm chín mươi đạt tới một phần nghìn, còn Gaia đo các phần lẻ của một phần trăm nghìn giây, đẩy giới hạn của phép đo trực tiếp tới tận mép bên kia của Ngân Hà.
Ký hiệu viết bằng chữ Latinh thường, không có dấu chấm: pc, và cũng vậy khi có tiền tố — kpc, Mpc, Gpc, trong đó tiền tố giữ nguyên kiểu chữ hoa thường của nó. Tiếng Nga viết «пк», không được nhầm với «пс» tức là pico giây. Tiếng Việt đặt đơn vị ngay sau số: “tám kiloparsec tới tâm Ngân Hà”.
Parsec là khoảng cách, không phải thời gian cũng không phải tốc độ, dù điện ảnh từng khẳng định điều ngược lại: Han Solo khoe đã vượt tuyến đường Kessel trong chưa tới mười hai parsec, và câu thoại ấy đã làm lỗi sai trở nên bất tử. Cũng không nên nhầm parsec với năm ánh sáng: một parsec dài hơn ba năm ánh sáng một chút, và các nhà thiên văn chuộng đơn vị đầu chính vì nó đến thẳng từ góc đo được, còn đơn vị sau đòi hỏi phải biết tốc độ ánh sáng và độ dài của năm.
01 · Định nghĩa
một giây cung — một parsecParsec là khoảng cách mà từ đó bán kính quỹ đạo Trái Đất được nhìn dưới góc một giây cung. Định nghĩa được cố định chính xác: một parsec bằng sáu trăm bốn mươi tám nghìn chia cho pi đơn vị thiên văn, và vì bản thân đơn vị thiên văn từ năm 2012 là một số mét chính xác, nên parsec cũng chính xác.
Hệ số trông bí ẩn, nhưng xuất phát từ lượng giác đơn giản: một radian có hai trăm linh sáu nghìn hai trăm sáu mươi tư giây và một chút, và cũng con số đó thu được khi chia sáu trăm bốn mươi tám nghìn cho pi. Ở những góc nhỏ như vậy, tang bằng chính góc, và hệ thức cồng kềnh rút gọn về đúng mục đích mà đơn vị được nghĩ ra: khoảng cách tính bằng parsec là nghịch đảo của thị sai tính bằng giây.
Quan hệ nghịch đảo này vận hành tiện lợi đến kinh ngạc và tàn nhẫn cũng đến kinh ngạc như thế. Tiện lợi, vì người quan sát có được thị sai bằng phần trăm giây là đọc ngay ra khoảng cách bằng hàng trăm parsec. Tàn nhẫn, vì sai số tương đối của khoảng cách bằng sai số tương đối của góc, mà góc lại nhỏ đi theo khoảng cách: xa gấp đôi — rung động giảm một nửa, và độ chính xác kém đi gấp đôi với cùng một dụng cụ.
Vì vậy phương pháp trực tiếp luôn có một chân trời, và thứ quyết định nó không phải vật lý mà là năng suất phân giải của dụng cụ. Kính thiên văn mặt đất làm việc chắc chắn tới vài chục parsec, Hipparcos đẩy giới hạn lên một trăm, Gaia lên hàng chục nghìn, và xa hơn nữa không còn là các góc mà là những ngọn nến chuẩn tiếp quản: sao biến quang Cepheid, siêu tân tinh và cả chiếc thang vũ trụ, mà bậc đầu tiên vẫn được hiệu chuẩn bằng thị sai.
Nửa năm đi, nửa năm về
Ô cửa bên trái là bầu trời như dụng cụ được chọn nhìn thấy: ngôi sao vàng chầm chậm đi quanh một hình elip đỏ thẫm vì Trái Đất chuyển động trên quỹ đạo, trong khi các ngôi sao nền nhạt nhòa đứng yên. Kích thước của elip chính là thị sai, và ngôi sao càng xa thì elip càng nhỏ; vòng tròn quanh chấm vàng cho thấy dụng cụ phân biệt các vị trí tinh tế đến đâu — khi elip chìm vào trong vòng tròn ấy, không còn gì để đo nữa. Bên phải là cùng đại lượng đó trên biểu đồ: đường cong ngọc lam là quan hệ nghịch của thị sai theo khoảng cách, đường nằm ngang là độ chính xác của dụng cụ, và dải thẳng đứng đánh dấu giới hạn mà vượt qua đó sai số khoảng cách lớn hơn một phần mười. Các nút chuyển giữa những dụng cụ của các thời kỳ khác nhau, và có thể thấy trong hai trăm năm giới hạn của phép đo trực tiếp đã dời từ vài chục parsec tới hàng chục nghìn.
02 · Quy đổi
khoảng cách · góc · các thang bậc của Vũ trụTừ góc sang mét và ngược lại
Mọi phép quy đổi trong thẻ thứ nhất đều chính xác, vì đơn vị thiên văn, parsec và năm ánh sáng được định nghĩa bằng những con số cố định chứ không bằng phép đo. Chỉ có khoảng cách tới chính các thiên thể là còn gần đúng — chúng chính là đối tượng của phép đo.
Thẻ thứ hai quy đổi khoảng cách thành góc và ngược lại, thẻ thứ ba trải thang bậc từ vùng lân cận các ngôi sao tới giới hạn quan sát được.
Quan hệ nghịch đảo giữa góc và khoảng cách trở nên xảo trá khi sai số lớn: nếu thị sai được đo với độ chính xác kém hơn hai mươi phần trăm, việc lấy nghịch đảo đơn giản cho ra khoảng cách bị phóng đại một cách có hệ thống, và các nhà thiên văn chuyển sang ước lượng thống kê. Ở thang vũ trụ học, chính từ “khoảng cách” tách ra thành nhiều đại lượng khác nhau, vì Vũ trụ giãn nở trong khi ánh sáng đang trên đường đi.
| Đại lượng | Giá trị | Ghi chú |
|---|---|---|
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · Dụng cụ đo
máy đo nhật · Hipparcos · Gaia · giao thoa kế vô tuyếnHai trăm năm đuổi theo một giây
Máy đo nhật và sự kiên nhẫn
Dụng cụ của Bessel được chế tạo như sau: vật kính bị cắt làm đôi, hai nửa có thể dịch chuyển bằng một con vít, để ảnh của ngôi sao cần nghiên cứu trùng với ảnh của ngôi sao bên cạnh. Hiệu số các số đọc của con vít cho góc giữa chúng, và vì thứ được đo chính là hiệu số, nên cả sự rung động của không khí lẫn sai số điều chỉnh đều biến mất khỏi kết quả. Trọn một năm quan sát liên tục — và rõ ra rằng ngôi sao sáu mươi mốt Thiên Nga vạch trên bầu trời một elip cỡ một phần ba giây.
Vệ tinh Hipparcos
Kẻ thù chính của trắc lượng thiên văn là khí quyển, và chỉ có thể thắng nó bằng cách ra khỏi không khí. Hipparcos tự quay chậm, cùng lúc nhìn bằng hai trường nhìn về hai hướng khác nhau của bầu trời, nhờ vậy đo được các góc lớn giữa những ngôi sao cách xa nhau, và từ các góc ấy khâu lại thành một danh lục thống nhất. Kết quả: một trăm mười tám nghìn ngôi sao có thị sai chính xác khoảng một phần nghìn giây, và lần hiệu chuẩn đáng tin cậy đầu tiên của thang khoảng cách trong Ngân Hà.
Gaia và micro giây cung
Giới hạn hiện nay của phép đo trực tiếp do đài quan sát Gaia đặt ra: với các sao sáng, nó xác định thị sai với độ chính xác cỡ hai mươi phần triệu giây, tức là tốt hơn Hipparcos năm mươi lần. Điều này đưa phương pháp trực tiếp từ vùng lân cận Mặt Trời lên thang của cả Ngân Hà: với một ngôi sao ở mép bên kia, thị sai vẫn còn đo được, dù với sai số đáng kể. Tuy nhiên độ chính xác giảm theo độ sáng, và vì thế danh lục không đồng đều: với các sao mờ, góc được biết kém hơn nhiều so với các sao sáng.
Giao thoa kế vô tuyến đường đáy rất dài
Trong dải vô tuyến, độ phân giải góc không do kích thước gương quyết định mà do khoảng cách giữa các ăng-ten, vì vậy một mạng lưới kính thiên văn trải trên nhiều lục địa phân biệt được chi tiết cỡ vài chục micro giây cung. Thứ được quan sát không phải chính các ngôi sao mà là những nguồn maser nhỏ gọn trong các vùng hình thành sao — vị trí của chúng đo được đặc biệt chính xác. Nhờ đó thu được thị sai của các thiên thể ở phía bên kia Ngân Hà, và tiện thể kiểm chứng trắc lượng thiên văn quang học bằng một phương pháp hoàn toàn độc lập.
05 · Quy tắc viết
chữ thường, tiền tố, đơn vị khoảng cáchKhông thể đo thời gian bằng parsec
Ký hiệu gồm hai chữ thường, tiền tố đặt trước chúng theo quy tắc chung, và đại lượng luôn là khoảng cách. Còn nếu văn bản có nêu thị sai, nên ghi rõ nó được cho theo phần nào của giây: phần nghìn hay phần triệu.
Lỗi thứ nhất nổi tiếng khắp thế giới và còn tồn tại vì câu thoại trong phim về sau được giải thích bằng những đặc thù của việc định hướng trong siêu không gian. Lỗi thứ hai đánh tráo parsec bằng pico giây, và các con số ngăn cách chúng chênh nhau tới hai mươi tám bậc độ lớn. Lỗi thứ ba vi phạm chữ hoa thường: chữ “P” hoa có nghĩa là peta, còn “Pc” chẳng có nghĩa gì. Lỗi thứ tư để góc không có đơn vị, trong khi thị sai lúc được công bố bằng giây, lúc bằng phần nghìn của giây. Lỗi thứ năm biến khoảng cách thành thời gian: ánh sáng quả thật đi hết một parsec mất ba năm và một phần tư, nhưng bản thân parsec được đo bằng mét chứ không bằng năm.
06 · Các đơn vị lân cận
đơn vị thiên văn · năm ánh sáng · dịch chuyển đỏParsec có hai đơn vị độ dài láng giềng và một đại lượng thay thế nó ở thang lớn. Hai đơn vị đầu khác nhau ở nguồn gốc: một đến từ Hệ Mặt Trời, một đến từ tốc độ ánh sáng. Đại lượng thứ ba không còn là độ dài nữa mà là một tính chất của ánh sáng tới.
Bán kính quỹ đạo Trái Đất, từ đó suy ra parsec. Từ năm 2012 nó bằng một số mét chính xác, và parsec thừa hưởng sự chính xác ấy: mọi độ bất định nằm ở các góc đo được, không nằm trong định nghĩa.
Quãng đường ánh sáng đi được trong một năm Julius. Hầu như không xuất hiện trong các bài báo khoa học, nhưng không thể thay thế trong các bài viết phổ thông, vì nó cho biết ngay ta đang nhìn xa bao nhiêu vào quá khứ.
Ở thang vũ trụ học, người ta công bố đại lượng này chứ không phải parsec: trong khi ánh sáng đang đi, không gian đã giãn ra, và một khoảng cách biến thành nhiều khoảng cách khác nhau. Dịch chuyển đỏ được đo trực tiếp nên đáng tin cậy hơn bất kỳ khoảng cách nào trong số đó.
07 · Phần lịch sử
lưu trữ · 1838 → 1913 → 1993 → hôm nayMột từ ghép từ một góc và một ngôi sao
{title}
{text}
Đường cong ngọc lam là thị sai, giảm tỉ lệ nghịch với khoảng cách. Đường nằm ngang đỏ thẫm là thứ mà dụng cụ phân giải được. Giao điểm của chúng cho đường nét đứt vàng: bên phải nó, góc đo được đã nhỏ hơn chính sai số của nó, và khoảng cách phải được ước lượng thay vì đo. Toàn bộ trắc lượng thiên văn suốt hai thế kỷ đã dốc sức hạ thấp đường đỏ thẫm và đẩy đường vàng sang phải.
Một đơn vị lấy hình học làm chuẩn
Trong danh mục của Simetrium, đây là trường hợp hiếm hoi của một đơn vị không có và không thể có chuẩn vật chất — và chẳng mất gì vì điều đó. Parsec được định nghĩa bằng hình học: lấy một đường đáy đã biết, dựng một góc một giây — và khoảng cách tự khắc hiện ra. Thứ cần lưu giữ không phải một vật chuẩn mà là hai con số, độ dài của đơn vị thiên văn và số giây trong một radian, và cả hai đều được cố định chính xác, nên bản thân đơn vị được biết với mọi sự chặt chẽ có thể hình dung.
Độ bất định không nằm ở đơn vị mà ở các phép đo: một góc cỡ phần trăm giây phải được vớt ra từ không khí rung động hoặc từ dữ liệu vệ tinh, và toàn bộ công việc của nhà trắc lượng thiên văn là cuộc chiến giành những phần lẻ cuối cùng của góc ấy. Vẻ đẹp của phương pháp là nó không dựa vào gì khác ngoài hình học: không dựa vào mô hình ngôi sao, không dựa vào giả thiết về độ trưng của nó, không dựa vào vũ trụ học. Vì thế thị sai là bậc đầu tiên của thang khoảng cách, và mọi thứ còn lại — sao Cepheid, siêu tân tinh, dịch chuyển đỏ — đều được hiệu chuẩn theo nó.
Từ đó cũng mà ra vị trí của parsec trong khoa học: nó không phải đơn vị lớn nhất, cũng không phải chính xác nhất, nhưng là trung thực nhất. Trong nó ghi đúng điều mà người quan sát thực sự đã đo — góc mà từ đó nhìn thấy quỹ đạo của chính hành tinh mình. Thiên văn học đã không ít lần thử nói về khoảng cách theo cách khác, không gắn với thứ gì đo được, và lần nào cũng quay về với tam giác có một giây ở đỉnh này.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một phiếu
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng và các đại lượng ngoài hệ, thiếu chúng thì kỹ thuật lẫn lịch đều không chạy.
Thiên văn học và khoảng cách
phiếu đang mở được làm nổiĐơn vị cơ bản của SI
được làm nổi bật là những đơn vị dùng để biểu thị parsecCác thiên thể và thị sai của chúng
góc, năm ánh sáng và giới hạn dụng cụ do bảng tính toán| Thiên thể | khoảng cách | thị sai | năm ánh sáng | Hipparcos | Gaia | Đo bằng gì |
|---|---|---|---|---|---|---|
| {name} | {d} | {plx} | {ly} | {hip} | {gaia} | {how} |
Hai cột cuối là sai số tương đối của khoảng cách mà dụng cụ của hai thời kỳ sẽ cho: một phần nghìn giây với Hipparcos và hai mươi phần triệu với Gaia. Từ đó thấy giới hạn của phương pháp trực tiếp ở mỗi thời kỳ đi qua đâu: Hipparcos đã với tới Tua Rua một cách chắc chắn, tâm Ngân Hà chỉ trở nên tầm với khi có Gaia, còn ở Tiên Nữ thị sai ngừng hoạt động ngay cả với Gaia — ở đó sao Cepheid tiếp quản.