L’astronomia misura distanze che il metro non riesce a esprimere comodamente. La stella più vicina al Sole dista circa 40.000 miliardi di chilometri. Scritto in metri è un numero di diciassette cifre, illeggibile e impossibile da confrontare a colpo d’occhio. Gli astronomi usano perciò tre unità più grandi, ciascuna adatta a una scala: l’unità astronomica per il Sistema solare, l’anno luce per le stelle vicine e il parsec per tutto il resto.
Non sono un sistema di misura nel senso in cui lo sono il SI o l’imperiale. Non hanno unità di base, né prefissi, né struttura interna. Sono definizioni isolate, ciascuna fissata in metri, conservate perché rendono leggibili i numeri di una certa scala. Tutte e tre sono ammesse per l’uso insieme al SI.
Il problema è l’estensione. Dentro il Sistema solare le distanze vanno da qualche centinaio di migliaia a qualche miliardo di chilometri. Tra le stelle si contano in anni luce. Alla scala dell’universo osservabile, in miliardi di parsec. Una sola unità non può servire questi tre ambiti senza produrre numeri assurdamente grandi o assurdamente piccoli.
C’è una seconda ragione, storica. Per gran parte della storia dell’astronomia la scala assoluta del Sistema solare era ignota. Gli astronomi sapevano misurare con grande precisione i rapporti tra le distanze planetarie a partire dai periodi orbitali, ma non le distanze stesse. Esprimere tutto rispetto alla distanza della Terra dal Sole permetteva di lavorare con esattezza senza conoscere quella distanza in chilometri. L’unità astronomica nacque come quel riferimento e solo molto più tardi divenne un numero fisso di metri.
L’unità astronomica, simbolo au, corrisponde all’incirca alla distanza media della Terra dal Sole. In origine era definita dall’orbita terrestre, il che risultava scomodo: l’orbita è un’ellisse e la definizione dipendeva dalla massa del Sole, che non è nota esattamente.
L’Unione Astronomica Internazionale risolse la questione nel 2012 fissando l’unità astronomica a esattamente 149.597.870.700 metri. È ora un fattore di conversione definito e non una grandezza misurata, così come il metro è definito dalla velocità della luce. Il valore scelto corrisponde a quello misurato in precedenza abbastanza da vicino perché nessun lavoro pratico ne risultasse turbato.
L’unità si usa quasi esclusivamente dentro il Sistema solare e per le orbite degli esopianeti. Mercurio orbita a circa 0,39 au, la Terra per definizione a circa 1 au, Giove a 5,2 au e Nettuno a 30 au. La fascia di Kuiper si estende tra circa 30 e 50 au. Espressa così, l’architettura del Sistema solare si legge immediatamente, cosa che in chilometri non avviene.
Un anno luce è la distanza percorsa dalla luce in un anno nel vuoto. È un’unità di distanza e non di tempo, nonostante il nome, e la confusione è abbastanza frequente da meritare di essere dichiarata.
Il suo valore discende da due numeri fissati. La velocità della luce è esattamente 299.792.458 metri al secondo. L’anno giuliano usato per la definizione conta esattamente 365,25 giorni da 86.400 secondi. Il prodotto dà esattamente 9.460.730.472.580.800 metri, poco meno di 9500 miliardi di chilometri. Poiché entrambi i dati sono definiti e non misurati, l’anno luce è esatto.
L’anno luce è l’unità dell’astronomia divulgativa. Compare nella stampa e nei testi generali molto più che negli articoli di ricerca, perché porta un significato intuitivo che al parsec manca: vedere un oggetto a 100 anni luce significa vederlo com’era 100 anni fa. Proxima Centauri dista 4,25 anni luce, il centro della nostra galassia circa 26.000 e la galassia di Andromeda circa 2,5 milioni.
Il parsec è l’unità che gli astronomi professionisti usano davvero, e l’unica delle tre definita da una tecnica di misura anziché da una grandezza fisica.
Il nome è una contrazione di «parallasse secondo». Mentre la Terra percorre la propria orbita, una stella vicina sembra spostarsi leggermente rispetto allo sfondo lontano. Misurare quello spostamento da due punti opposti dell’orbita dà la distanza della stella per semplice trigonometria. Una stella il cui spostamento raggiunge un secondo d’arco, cioè 1/3600 di grado, con una base di un’unità astronomica, si trova a un parsec.
Dal 2015 il parsec è definito esattamente come 648.000/π unità astronomiche, circa 30.857 miliardi di chilometri o 3,2616 anni luce. La definizione è utile perché rende banale il calcolo: la distanza di una stella in parsec è semplicemente l’inverso della sua parallasse in secondi d’arco. Una parallasse di 0,1 secondi d’arco significa 10 parsec. I multipli seguono i consueti prefissi SI, da cui il kiloparsec per le scale galattiche e il megaparsec per le distanze tra galassie.
| Unità | Simbolo | Valore in metri | Uso tipico | Convertire |
|---|---|---|---|---|
| Unità astronomica | au | 1,495978707 × 1011 | Sistema solare | au in chilometri |
| Anno luce | ly | 9,4607304726 × 1015 | Stelle vicine | anni luce in chilometri |
| Parsec | pc | 3,0856775815 × 1016 | Astronomia professionale | parsec in anni luce |
Le leggi di Keplero diedero agli astronomi le dimensioni relative delle orbite planetarie già all’inizio del Seicento, ma non la loro scala assoluta. Il Sistema solare era una carta senza legenda. Fissare la scala richiedeva di misurare direttamente una distanza, e il transito di Venere offriva il modo di farlo.
Quando Venere attraversa il disco solare, osservatori posti a latitudini diverse la vedono tracciare percorsi leggermente diversi, e la differenza di cronometraggio dà la distanza per parallasse. Edmond Halley propose il metodo nel 1716, sapendo che non sarebbe vissuto per usarlo. Furono organizzate spedizioni internazionali per i transiti del 1761 e del 1769, che inviarono osservatori in Siberia, Sudafrica, a Tahiti e alla baia di Hudson, in uno dei primi sforzi scientifici coordinati su scala mondiale. Il primo viaggio di James Cook fu organizzato in parte a questo scopo. I risultati portarono l’unità astronomica a pochi punti percentuali dal valore odierno.
Il radar pose fine alle approssimazioni. Rimbalzare un segnale radio su Venere negli anni Sessanta e cronometrare l’eco diede la distanza direttamente, con una precisione di qualche centinaio di metri. La telemetria delle sonde la affinò ancora, e la decisione del 2012 di fissare il valore per definizione non fece che riconoscere che la misura aveva superato la definizione che serviva.
Poiché la velocità della luce è fissata, ogni distanza astronomica può essere enunciata come il tempo che la luce impiega ad attraversarla. Gli astronomi lo fanno di continuo. Il Sole dista otto minuti luce, Giove circa 43 minuti luce e il margine del Sistema solare circa 18 ore luce. I comandi radio inviati a una sonda su Marte impiegano da quattro a ventiquattro minuti ad arrivare, motivo per cui le sonde sono programmate per agire da sole durante gli atterraggi.
La stessa idea vale a scale maggiori, con una conseguenza che merita di essere detta: guardare lontano significa guardare indietro. Un oggetto a 100 milioni di anni luce è visto com’era 100 milioni di anni fa, e non c’è modo di osservarne lo stato presente. I telescopi sono dunque strumenti di storia quanto di geografia, e le immagini più profonde mai riprese mostrano galassie come erano quando l’universo aveva qualche centinaio di milioni di anni.
La scelta consiste nel tenere il numero tra circa uno e qualche migliaio. Le distanze dentro il Sistema solare si danno in unità astronomiche. Le distanze verso stelle fino a qualche migliaio di anni luce si danno in parsec tra i professionisti e in anni luce altrove. Le distanze alla scala della galassia si danno in kiloparsec e quelle tra galassie in megaparsec.
Il chilometro sopravvive per un compito: le distanze dalla Luna e dagli oggetti in orbita terrestre, dove un’unità astronomica sarebbe di dimensione scomoda. La Luna dista 384.400 chilometri, cioè 0,0026 au, e la seconda cifra non dice nulla di utile.
La parallasse resta il fondamento. È l’unico metodo diretto, non richiede alcuna ipotesi sull’oggetto osservato, e tutto il resto si calibra su di essa. I telescopi da terra sono limitati dall’atmosfera a qualche centinaio di parsec. Lo spazio cambia le cose. Il satellite Hipparcos mappò circa 100.000 stelle negli anni Novanta, e la missione Gaia ha da allora misurato parallassi per oltre un miliardo di stelle con una precisione di decine di microsecondi d’arco, raggiungendo buona parte della galassia.
Oltre la parallasse, gli astronomi ricorrono alle candele standard: oggetti di luminosità intrinseca nota la cui distanza si deduce da quanto appaiono deboli. Le cefeidi pulsano a un ritmo che rivela la loro luminosità vera, e le supernove di tipo Ia esplodono con una luminosità costante, abbastanza intensa da essere viste a miliardi di parsec. Ogni gradino di questa scala delle distanze si calibra su quello sottostante, ed è per questo che un miglioramento nelle misure di parallasse si propaga fino alle distanze cosmologiche.
Poiché tutte e tre le unità sono esatte in metri, anche le conversioni tra loro lo sono. Un parsec vale 3,2616 anni luce e 206.265 unità astronomiche. Un anno luce vale 63.241 unità astronomiche. Le cifre sono grandi, quindi la notazione scientifica risulta di solito più chiara di una lunga sequenza di numeri.
Potete sfogliare tutte le unità di lunghezza di questo sito dall’archivio delle unità di lunghezza, oppure confrontarle con le unità metriche del sistema SI.