Die Astronomie misst Entfernungen, die das Meter nicht bequem ausdrücken kann. Der nächste Stern zur Sonne steht rund 40 Billionen Kilometer entfernt. In Metern geschrieben ist das eine Zahl mit siebzehn Stellen, unlesbar und auf einen Blick nicht vergleichbar. Astronomen verwenden deshalb drei größere Einheiten, jede für eine andere Größenordnung: die Astronomische Einheit für das Sonnensystem, das Lichtjahr für nahe Sterne und das Parsec für alles Weitere.
Ein Messsystem im Sinne des SI oder des angloamerikanischen Systems sind sie nicht. Sie besitzen keine Basiseinheit, keine Vorsätze und keine innere Struktur. Es sind einzelne Definitionen, jede in Metern festgelegt, beibehalten, weil sie die Zahlen einer bestimmten Größenordnung lesbar machen. Alle drei sind zum Gebrauch neben dem SI zugelassen.
Das Problem ist der Umfang. Innerhalb des Sonnensystems reichen Entfernungen von einigen hunderttausend bis zu einigen Milliarden Kilometern. Zwischen Sternen misst man in Lichtjahren. Über das beobachtbare Universum hinweg in Milliarden Parsec. Eine einzige Einheit kann diese drei Bereiche nicht bedienen, ohne entweder absurd große oder absurd kleine Zahlen zu erzeugen.
Es gibt einen zweiten, historischen Grund. Über den größten Teil der Geschichte der Astronomie war der absolute Maßstab des Sonnensystems unbekannt. Astronomen konnten die Verhältnisse der Planetenabstände aus den Umlaufzeiten sehr genau bestimmen, die Abstände selbst jedoch nicht. Alles auf den Abstand der Erde von der Sonne zu beziehen, erlaubte genaues Arbeiten, ohne diesen Abstand in Kilometern zu kennen. Die Astronomische Einheit entstand als dieser Bezug und wurde erst viel später eine feste Anzahl Meter.
Die Astronomische Einheit, Symbol au, entspricht ungefähr dem mittleren Abstand der Erde von der Sonne. Ursprünglich war sie über die Erdbahn definiert, was unhandlich war: Die Bahn ist eine Ellipse, und die Definition hing von der Sonnenmasse ab, die nicht exakt bekannt ist.
Die Internationale Astronomische Union klärte das 2012, indem sie die Astronomische Einheit auf genau 149.597.870.700 Meter festlegte. Sie ist damit ein definierter Umrechnungsfaktor statt einer gemessenen Größe, so wie das Meter über die Lichtgeschwindigkeit definiert ist. Der gewählte Wert entspricht dem zuvor gemessenen so genau, dass keine praktische Arbeit gestört wurde.
Die Einheit dient fast ausschließlich innerhalb des Sonnensystems und für Bahnen von Exoplaneten. Merkur umläuft die Sonne bei etwa 0,39 au, die Erde definitionsgemäß bei etwa 1 au, Jupiter bei 5,2 au und Neptun bei 30 au. Der Kuipergürtel liegt zwischen rund 30 und 50 au. So ausgedrückt ist der Bauplan des Sonnensystems unmittelbar lesbar, in Kilometern dagegen nicht.
Ein Lichtjahr ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr im Vakuum zurücklegt. Es ist trotz des Namens eine Längeneinheit und keine Zeiteinheit, und die Verwechslung ist häufig genug, um sie ausdrücklich auszuräumen.
Sein Wert folgt aus zwei festgelegten Zahlen. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt genau 299.792.458 Meter je Sekunde. Das für die Definition verwendete julianische Jahr zählt genau 365,25 Tage zu 86.400 Sekunden. Das Produkt ergibt genau 9.460.730.472.580.800 Meter, knapp 9,5 Billionen Kilometer. Da beide Eingangsgrößen festgelegt und nicht gemessen sind, ist das Lichtjahr exakt.
Das Lichtjahr ist die Einheit der populären Astronomie. Es erscheint in Presse und allgemeinen Texten weit häufiger als in Fachaufsätzen, weil es eine anschauliche Bedeutung trägt, die dem Parsec fehlt: Ein Objekt in 100 Lichtjahren Entfernung zu sehen heißt, es so zu sehen, wie es vor 100 Jahren war. Proxima Centauri steht 4,25 Lichtjahre entfernt, das Zentrum unserer Galaxis rund 26.000 und die Andromedagalaxie etwa 2,5 Millionen.
Das Parsec ist die Einheit, die Fachastronomen tatsächlich verwenden, und als einzige der drei über ein Messverfahren statt über eine physikalische Größe definiert.
Der Name ist eine Zusammenziehung aus Parallaxensekunde. Während die Erde die Sonne umläuft, verschiebt sich ein naher Stern scheinbar geringfügig vor dem fernen Hintergrund. Diese Verschiebung von zwei gegenüberliegenden Punkten der Bahn aus zu messen, liefert die Entfernung durch einfache Trigonometrie. Ein Stern, dessen Verschiebung bei einer Basislinie von einer Astronomischen Einheit eine Bogensekunde beträgt, also 1/3600 Grad, steht ein Parsec entfernt.
Seit 2015 ist das Parsec exakt als 648.000/π Astronomische Einheiten definiert, rund 30,857 Billionen Kilometer oder 3,2616 Lichtjahre. Die Definition ist nützlich, weil sie die Rechnung trivial macht: Die Entfernung eines Sterns in Parsec ist schlicht der Kehrwert seiner Parallaxe in Bogensekunden. Eine Parallaxe von 0,1 Bogensekunden bedeutet 10 Parsec. Vielfache folgen den üblichen SI-Vorsätzen, woraus sich das Kiloparsec für galaktische Maßstäbe und das Megaparsec für Abstände zwischen Galaxien ergeben.
| Einheit | Symbol | Wert in Metern | Typischer Einsatz | Umrechnen |
|---|---|---|---|---|
| Astronomische Einheit | au | 1,495978707 × 1011 | Sonnensystem | au in Kilometer |
| Lichtjahr | ly | 9,4607304726 × 1015 | Nahe Sterne | Lichtjahre in Kilometer |
| Parsec | pc | 3,0856775815 × 1016 | Fachastronomie | Parsec in Lichtjahre |
Die Keplerschen Gesetze lieferten den Astronomen die relativen Größen der Planetenbahnen bereits im frühen siebzehnten Jahrhundert, nicht aber deren absoluten Maßstab. Das Sonnensystem war eine Karte ohne Legende. Den Maßstab festzulegen erforderte, eine Entfernung unmittelbar zu messen, und der Venustransit bot dazu den Weg.
Wenn die Venus vor der Sonnenscheibe vorbeizieht, sehen Beobachter in verschiedenen Breiten sie geringfügig verschiedene Bahnen beschreiben, und der Zeitunterschied liefert die Entfernung über die Parallaxe. Edmond Halley schlug die Methode 1716 vor, im Wissen, sie nicht mehr zu erleben. Für die Transite von 1761 und 1769 wurden internationale Expeditionen ausgerüstet, die Beobachter nach Sibirien, Südafrika, Tahiti und zur Hudson Bay entsandten, in einer der ersten weltweit abgestimmten wissenschaftlichen Unternehmungen. James Cooks erste Reise diente teilweise diesem Zweck. Die Ergebnisse brachten die Astronomische Einheit auf wenige Prozent an ihren heutigen Wert heran.
Das Radar beendete das Schätzen. Ein Funksignal in den 1960er Jahren an der Venus zu spiegeln und das Echo zu messen, ergab die Entfernung unmittelbar, auf einige hundert Meter genau. Die Telemetrie von Raumsonden verfeinerte sie weiter, und die Festlegung des Wertes im Jahr 2012 bestätigte lediglich, dass die Messung besser geworden war als die Definition, der sie diente.
Da die Lichtgeschwindigkeit festgelegt ist, lässt sich jede astronomische Entfernung als Laufzeit des Lichts angeben. Astronomen nutzen das ständig. Die Sonne steht acht Lichtminuten entfernt, Jupiter rund 43 Lichtminuten und der Rand des Sonnensystems etwa 18 Lichtstunden. Funkbefehle an eine Sonde am Mars brauchen zwischen vier und vierundzwanzig Minuten, weshalb Sonden bei Landungen darauf programmiert sind, selbstständig zu handeln.
Auf größeren Skalen gilt dasselbe, mit einer Folge, die es auszusprechen lohnt: Weit hinaussehen heißt zurücksehen. Ein Objekt in 100 Millionen Lichtjahren Entfernung wird so gesehen, wie es vor 100 Millionen Jahren war, und seinen gegenwärtigen Zustand kann niemand beobachten. Teleskope sind daher ebenso Instrumente der Geschichte wie der Geografie, und die tiefsten je aufgenommenen Bilder zeigen Galaxien, wie sie waren, als das Universum einige hundert Millionen Jahre zählte.
Die Wahl richtet sich darauf, die Zahl zwischen etwa eins und einigen tausend zu halten. Entfernungen im Sonnensystem stehen in Astronomischen Einheiten. Entfernungen zu Sternen bis einige tausend Lichtjahre stehen bei Fachleuten in Parsec und sonst in Lichtjahren. Entfernungen im Maßstab der Galaxis stehen in Kiloparsec, solche zwischen Galaxien in Megaparsec.
Der Kilometer überdauert für eine Aufgabe: Entfernungen zum Mond und zu Objekten im Erdorbit, wo eine Astronomische Einheit unhandlich groß wäre. Der Mond steht 384.400 Kilometer entfernt, also 0,0026 au, und die zweite Zahl sagt nichts Brauchbares.
Die Parallaxe bleibt die Grundlage. Sie ist das einzige unmittelbare Verfahren, das keine Annahme über das beobachtete Objekt verlangt, und alles Übrige wird an ihr geeicht. Bodengebundene Teleskope sind durch die Atmosphäre auf einige hundert Parsec begrenzt. Der Weltraum ändert das. Der Satellit Hipparcos vermaß in den 1990er Jahren rund 100.000 Sterne, und die Mission Gaia hat seither Parallaxen für über eine Milliarde Sterne mit einer Genauigkeit von einigen zehn Mikrobogensekunden bestimmt und damit einen großen Teil der Galaxis erreicht.
Jenseits der Parallaxe verwenden Astronomen Standardkerzen: Objekte bekannter Eigenhelligkeit, deren Entfernung sich aus ihrer scheinbaren Helligkeit ergibt. Cepheiden pulsieren mit einer Periode, die ihre wahre Leuchtkraft verrät, und Supernovae vom Typ Ia explodieren mit gleichbleibender Helligkeit, hell genug, um über Milliarden Parsec sichtbar zu sein. Jede Sprosse dieser Entfernungsleiter wird an der darunterliegenden geeicht, weshalb sich eine Verbesserung der Parallaxenmessung bis zu kosmologischen Entfernungen fortpflanzt.
Nicht nur Entfernungen bekommen in der Astronomie eigene Einheiten. Massen werden in Sonnenmassen angegeben, rund 1,989 × 1030 Kilogramm, weil Sterne und Schwarze Löcher in Kilogramm nur als unhandliche Zehnerpotenzen erscheinen. Ein massereicher Stern wiegt dann schlicht zwanzig Sonnenmassen, das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxis rund vier Millionen. Radien folgen derselben Logik und werden in Sonnen- oder Erdradien ausgedrückt, Planetenmassen häufig in Jupiter- oder Erdmassen.
Auch Helligkeit hat ihre eigene Skala. Die scheinbare Größenklasse ist logarithmisch und läuft rückwärts: Je kleiner die Zahl, desto heller das Objekt. Ein Unterschied von fünf Größenklassen entspricht genau dem Faktor hundert in der Helligkeit. Die Skala geht auf antike Sternkataloge zurück, in denen die hellsten Sterne der ersten und die eben noch sichtbaren der sechsten Klasse zugeordnet wurden, und wurde später an dieses historische Raster angepasst statt neu entworfen.
Diese Größen erscheinen nicht auf dieser Website, weil sie keine Umrechnung im üblichen Sinn erlauben. Sie zeigen aber dasselbe Muster wie die Entfernungseinheiten: Jedes Fachgebiet wählt den Bezug, bei dem seine typischen Werte als handliche Zahlen erscheinen.
Da alle drei Einheiten in Metern exakt sind, sind auch die Umrechnungen zwischen ihnen exakt. Ein Parsec entspricht 3,2616 Lichtjahren und 206.265 Astronomischen Einheiten. Ein Lichtjahr entspricht 63.241 Astronomischen Einheiten. Die Zahlen sind groß, weshalb die wissenschaftliche Schreibweise meist klarer ist als eine lange Ziffernfolge.
Alle Längeneinheiten dieser Website finden Sie im Archiv der Längeneinheiten, oder Sie vergleichen sie mit den metrischen Einheiten des SI-Einheitensystems.