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Os Buracos Negros são reais: Einstein acertou de novo

Desde os tempos da escola que eu me incomodava com a teoria de gravitação de Newton – aquela que, em resumo, diz ser a gravidade uma “força” que faz com que um corpo com massa maior atraia corpos com menos massa. Sempre me perguntava: “como assim uma força?”. Talvez por terem nos ensinado sobre a Teoria de Newton – e não sobre a Teoria da Relatividade de Einstein, em que a gravidade não é uma “força”, mas sim uma deformidade do tecido do espaço-tempo do Cosmos provocado por corpos massivos – entender o conceito de gravidade não seja assim tão natural para a maioria das pessoas e, por isso, a divulgação da maior notícia científica do ano e uma das mais importantes da história da ciência não tenha ocupado mais do que alguns segundos nos jornais da TV, infelizmente.

Sobre os buracos negros, até então só tínhamos projeções feitas por computadores, baseadas em cálculos matemáticos em cima da Teoria da Relatividade de Einstein, e ainda assim apenas divulgadas no meio científico. A ideia mais próxima de um buraco negro que o público comum pôde vislumbrar foi apresentada no excelente filme “Interestellar”, de 2014, com o fictício buraco negro chamado Gargantua.

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Figura 1. Imagem do buraco negro fictício Gargantua apresentado no filme Interestellar, de 2014.


O primeiro registro real de um buraco negro: Einstein acertou de novo

Saiba, então, que o dia 10 de abril de 2019 entrou para a história da Ciência, pois nessa data foi apresentada ao mundo a primeira fotografia real de um buraco negro, localizado no centro da galáxia M87 (Messier 87, também chamada de Virgo A, distante de nós a aproximadamente 60 milhões de anos-luz na direção da constelação de Virgem).

Os buracos negros – já previstos por Einstein desde o ano de 1915 em sua Teoria Geral da Relatividade – são regiões do espaço tão massivas, mas tão massivas, que nada – nada mesmo – pode escapar, nem mesmo a luz – daí a expressão “buraco negro”, pois não é possível vê-lo diretamente, já que ele não deixa sua luz escapar diante a enorme curvatura do espaço a sua volta provocada por sua gigantesca massa, formando assim uma “singularidade” delimitada por uma superfície denominada “horizonte de eventos”, que marca a fronteira na qual, uma vez penetrada, a matéria não se pode mais voltar.

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Figura 2. Albert Einstein, autor da Teoria Geral da Relatividade, que apresentou uma nova abordagem sobre o que é a gravidade e propondo a existência de buracos negros. Desde 1915 ele já sabia da existência de buracos negros.

Apesar de a teoria de Einstein afirmar claramente a existência de buracos negros desde 1915, ainda não havia uma prova real ou “visível” deste fenômeno, o que levou a várias discordâncias entre cientistas ao longo dos últimos 100 anos sobre a real existência desses colossais corpos massivos pelo universo.  A revelação – em foto e em cores – do buraco negro em M87 mostrou, mais uma vez, que Einstein estava certo e que a sua Teoria da Relatividade é o maior legado científico da humanidade.

Sendo negros por não emitirem luz, como podem ser detectados?

Através da interação com a matéria em sua vizinhança um buraco negro pode se tornar “detectável”, quer seja por meio da observação do movimento de estrelas em uma dada região do espaço ou mesmo pela medição de grande quantidade de radiação emitida quando a matéria proveniente de uma estrela atraída para dentro do buraco negro é aquecida a altas temperaturas no chamado “disco de acreção”, chegando a escapar até mesmo da própria galáxia através do “jato relativístico”.

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Figura 3. As partes de um buraco negro. O que o torna “visível” são o disco de acreção e o jato relativístico. A singularidade – o buraco negro em si – não é visível.

Mas não pense que é assim tão fácil “visualizar” um buraco negro. Muito pelo contrário.
Para capturar a incrível imagem do buraco negro no centro da M87 foi criada uma rede internacional de radiotelescópios formando um gigantesco radiotelescópio virtual equivalente a um telescópio do tamanho do planeta Terra. Esse radiotelescópio foi chamado de Telescópio de Horizonte de Evento (EHT), numa colaboração internacional cujo apoio nos Estados Unidos inclui a National Science Foundation.

Pra você ter uma ideia, anos atrás a NASA chegou a pensar que seria necessária a construção de um telescópio muito grande no espaço para se conseguir um vislumbre da imagem de um buraco negro e mesmo assim sem garantias.  Isso, por si só, dá-nos a noção de quão difícil e incrível foi mais essa façanha da genialidade humana, iniciada em 1915 com a intuição de um gênio – Einstein – e concluída em 2019 com os maiores cientistas da atualidade e da tecnologia de nosso tempo.

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Figura 4. Imagem do centro da galáxia M87 obtida pelo observatório Chandra, da NASA.

Para complementar o EHT, várias naves espaciais da NASA fizeram parte do grande esforço para observar o buraco negro usando diferentes comprimentos de onda da luz. Como parte deste esforço, o Observatório de Raios-X Chandra da NASA, o Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), além do telescópio do Observatório Espacial Neil Gehrels Swift, todos em sintonia com diferentes variedades de luz de raios-x, olharam para o centro da M87 ao mesmo tempo juntamente como o EHT em abril de 2017.

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Figura 5. A galáxia M87 e o registro de um jato relativístico a partir de seu centro feito pelo telescópio espacial Hubble.

Dois anos de captura de dados e uma imagem histórica

Não pense você que toda essa estrutura de telescópios em terra e no espaço foi usada apenas para gerar uma foto JPG do buraco negro. Longe disso, os telescópios e radiotelescópios registraram informações, dos mais variados tipos, que foram guardadas em poderosos computadores com enorme capacidade de armazenamento.  Para ser mais preciso, todas as informações coletadas pelo telescópio virtual do EHT foram somadas em mais de 8 petabytes de dados.  Acredite, isso é muita informação!

Light bulb 8 petabytes equivalem a 8.000 terabytes, ou seja, 8 mil discos rígidos desses que atualmente são usados em computadores pessoais para armazenamento de dados.

Como a Internet não possui a capacidade para a transferência tão grande de dados de um lado para o outro entre os observatórios participantes do EHT espalhados pelo planeta, os mesmos precisaram ser transportados em seus discos rígidos periodicamente entre um continente e outro — processo que, obviamente, não foi nada rápido, além de exigir toda uma logística de segurança no transporte intercontinental.

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Figura 6. Katie Bouman – engenheira do MIT responsável pela criação do algoritmo que levou à geração final da imagem a partir dos 8 petabytes de dados – e parte dos discos rígidos contendo informações sobre o buraco negro obtidas ao longo de 2 anos.

Depois de juntados os discos rígidos, a reunião, comparação, gerenciamento e análise da enorme quantidade de informação foi possível graças a um algoritmo desenvolvido por uma equipe encabeçada por Katie Bouman, engenheira do MIT responsável pela criação do sistema capaz de contabilizar todo o volume de dados obtido pelos telescópios, formando a imagem final.

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Figura 7. A primeira imagem real de um buraco negro, localizado no centro da galáxia M87.


Um buraco negro em nosso quintal cósmico

De acordo com a Teoria de Einstein, buracos negros são comuns no universo. Provavelmente a maior parte das galáxias elípticas e espirais possui no seu centro um buraco negro supermassivo em seu centro. Os buracos negros supermassivos possuem uma massa muito superior aos buracos negros estelares, na ordem dos milhões ou mesmo bilhões de massas solares. Acredita-se que este tipo de buraco negro muito massivo tenha surgido quando o Universo era ainda bem jovem.

Em um artigo publicado em 31 de outubro de 2018 foi anunciada a descoberta de evidências conclusivas de que Sagitário A*, uma fonte de ondas de rádio bastante intensa e situada no centro de nossa galáxia, a Via Lactea,  é um buraco negro. Isso mesmo! Temos um buraco negro na nossa vizinhança, distante a apenas 26 mil anos-luz e com aproximadamente 2 milhões de massas solares.

Espera-se, a partir de agora, com a comprovação da existência dos buracos negros além da teoria, que as técnicas usadas para o registro visual seja avançada, tornando-se mais comum o estudo e compreensão desses gigantes massivos.  Aguardemos, então, o próximo buraco negro a se revelar em foto. Torço para que seja o Sagitário A*.

Vamos tocar o Sol

Estamos, sem dúvida, vivendo a era de ouro da exploração espacial. Poderosos equipamentos – em terra e no espaço – descobrem novos mundos em outros sistemas estelares num ritmo nunca antes observado. É como se tivéssemos descoberto o caminho das pedras. Mas não são apenas sistemas estelares distantes que atraem a nossa atenção.

A data de 12 de agosto de 2018 ficará marcada na história da exploração espacial, pois nesta data a NASA – Agência Espacial Americana – lançou a primeira missão exploratória da humanidade a uma estrela. A nossa estrela: o Sol.

Não é de hoje que as agências espaciais de todo o planeta estudam a nossa estrela, mas hoje a história é diferente. Estamos enviando a primeira sonda projetada exclusivamente para estudar a atmosfera de nossa estrela, ou seja, estamos enviando a Parker Solar Probe numa missão para tocar o Sol, numa região nunca antes atingida.

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Figura 1. Sonda Parker Solar Probe e sua missão para tocar o Sol.

A histórica missão da Parker Solar Probe revolucionará nossa compreensão do Sol e, consequentemente, das estrelas e dos mundos que as orbitam, na medida em que será o primeiro artefato produzido pelo homem a chegar tão próximo de uma estrela, enfrentando as brutais condições de calor e radiação.

Muita ciência e tecnologia embarcada

É de se imaginar que para a Parker Solar Probe “tocar” o Sol muita tecnologia foi desenvolvida para proteger os instrumentos num ambiente tão hostil.

Os dois principais problemas são o calor e a radiação. Embora na corona solar a temperatura beire os milhões de graus Celsius, a transferência de calor é bem menor que isso – mesmo ainda sendo altíssima para qualquer instrumento científico – devido a baixa densidade de partículas no espaço. Segundo os cientistas da NASA, o calor que atingirá a sonda será da ordem de absurdos 1.400º C.

Por essa razão, a Parker Solar Probe é protegida por um escudo de calor de 2,4 metros de diâmetro e com 115 mm de espessura, construído com placas compostas de carbono e pintado de branco com tinta cerâmica que refletirá a maior parte do calor incidente. Além disso, foram instalados radiadores com fluido resfriador, fazendo com que na parte de trás do escudo – onde ficam protegidos os instrumentos da sonda – a temperatura se mantenha em torno de suportáveis 30º C, viabilizando o funcionamento dos instrumentos científicos.

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Figura 2. Aspecto do escudo de calor da sonda Parker Solar Probe.

Mas nem todos os instrumentos da Parker Solar Probe ficarão escondidos atrás do escudo de calor, afinal uma das tarefas da missão será a coleta de partículas do Sol e esse instrumento coletor será um dos poucos a ficarem expostos ao calor extremo de nossa estrela. Construído com folhas de Titânio, Zircônio, Nióbio e Molibdênio, o instrumento coletor foi projetado para suportar calor de até 2.350º C. Os grids que produzirão o campo elétrico do instrumento são feitos de Tungstênio, resistindo a 3.420º C.

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Figura 3. O instrumento, que coletará partículas do Sol, da Parker Solar Probe suportará calor extremo, acima de 2.000º C.

A energia da sonda será captada por painéis solares, que serão usados quando a sonda estiver nos pontos mais distantes do sol em sua órbita. Perto do Sol os painéis serão recolhidos para se protegerem da alta temperatura atrás do escudo de calor. 

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Figura 4. Aspecto dos instrumentos radiadores de calor da Parker Solar Probe.

Além de todos os recursos utilizados para a proteção contra o calor e radiação, a sonda Parker Solar Probe também se destaca por ser uma nave autônoma.

Equipada com sensores que chegam à metade do tamanho de um aparelho celular, a nave terá autonomia na decisão de manobra, agindo por conta própria a partir do momento que deixar a órbita da Terra, realizando os procedimentos necessários para se manter sempre na posição correta em relação ao Sol, ou seja, mantendo o escudo protetor sempre apontado para o Sol, garantindo o seu funcionamento.

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Figura 5. Aspecto geral da sonda Parker Solar Probe.

A necessidade de autonomia ocorre devido a distância que a nave atingirá quando estiver no Sol – 8 minutos-luz – que inviabilizaria qualquer comando de controle a partir da Terra. O tempo de 8 minutos para receber um sinal de status da nave e mais 8 minutos para enviar um comando de manobra é demais para corrigir um posicionamento errado da nave a partir do centro de controle da NASA aqui na Terra.

A viagem até o Sol

A sonda Parker Solar Probe foi enviada ao espaço a bordo do poderoso foguete Delta IV, um veículo lançador de cargas simples ou múltiplas.

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Figura 6. Foguete Delta IV que levou a Parker Solar Probe rumo ao Sol.

Já no espaço, em sua órbita ao redor do Sol, a Parker Solar Probe usará a gravidade do planeta Vênus durante sete sobrevoos, durante cerca de sete anos (tempo da missão), para levar gradualmente sua órbita cada vez mais próxima do Sol.

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Figura 7. Aspecto da órbita da Parker Solar Probe, que usará a gravidade do planeta Vênus em sobrevoos para cada vez mais se aproximar do Sol.

Em seu ponto mais próximo da superfície, a nave vai voar através da atmosfera do Sol a cerca de 6 milhões de km e com uma velocidade da ordem de 700 mil km por hora, bem dentro da órbita do planeta Mercúrio e mais do que sete vezes mais perto do que qualquer nave espacial chegou antes. Lembrando que a distância média da Terra ao Sol é de 150 milhões de km.

Voando na parte mais externa da atmosfera do Sol, conhecida como Corona, pela primeira vez, a Parker Solar Probe vai empregar uma combinação de medições e de imagens para revolucionar nossa compreensão da Corona e expandir o nosso conhecimento da origem e evolução do vento solar, além de contribuir para nossa capacidade de previsão de alterações no ambiente do espaço da Terra que afetam a vida e a tecnologia em nosso planeta.

A ciência do Sol

Os objetivos primários da missão serão rastrear como a energia e o calor percorrem a corona solar e explorar o  vento solar, bem como as partículas energéticas solares. Os cientistas têm buscado essas respostas por mais de 60 anos, mas a investigação exigia o envio de uma sonda através da região de calor de 1.370º C da Corona.  Hoje, isso é finalmente possível com os avanços da engenharia térmica de ponta que podem proteger a missão na sua jornada perigosa. A sonda Parker Solar Probe carrega quatro suítes de instrumentos destinadas ao estudo de campos magnéticos, plasma e partículas energéticas, além do vento solar.

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Figura 8. Aspecto da Corona Solar, por onde passará a Parker Solar Probe.

Por que estudar o Sol e o vento solar?

  • O Sol é a única estrela que podemos alcançar. Ao estudar o Sol, aprendemos mais sobre estrelas em todo o universo.
  • O Sol é uma fonte de luz e calor para a vida na terra. Quanto mais soubermos sobre isso, mais podemos compreender como se desenvolveu a vida na Terra.
  • O Sol também afeta a Terra em formas menos familiares. É a fonte do vento solar; um fluxo de gases ionizados que passam pela Terra a velocidades de mais de 500 km por segundo.
  • Distúrbios no vento solar sacudem o campo magnético da Terra e sua energia provoca alterações no espaço perto da Terra, conhecido como tempo espacial.
  • Tempo espacial pode mudar as órbitas dos satélites, encurtar suas vidas ou interferir com a eletrônica embarcada. Quanto mais aprendemos sobre o que causa o espaço tempo – e como prever isso – mais podemos proteger os satélites, que tanto dependemos para manter o nosso estilo de vida moderna.
  • O vento solar também preenche grande parte do sistema solar, dominando o ambiente espacial distante. Como pretendemos enviar naves espaciais e astronautas mais longe da Terra, temos que entender este ambiente espacial.

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Figura 9. O Sol, a Corona Solar e o Vento Solar.

Estudar o Sol é fundamental para o futuro da exploração espacial humana em nosso próprio sistema solar e para o desenvolvimento de novas tecnologias que nos farão construir equipamentos e sondas espaciais cada vez mais adequados ao ambiente hostil do espaço.

Sem dúvida, mais um grande passo da humanidade na busca incansável pelo conhecimento espacial que nos dê a confiança para o próximo e importante salto: a viagem humana ao planeta Marte.

Fotos: NASA e Internet.


Você sabia?

Molibdênio é um metal de transição muito utilizado na fabricação de ligas metálicas de alta resistência mecânica e corrosiva.
Zircônio é um metal de transição, tendo como uma de suas propriedades mais importantes o seu ponto de fusão, que é acima de 2500ºC. Por isso, esse metal é aplicado no interior de reatores de fusão nuclear, suportando as elevadíssimas temperaturas.
Nióbio é um metal de transição, comumente utilizado em ligas metálicas com o ferro, o aço, com o zircônio e essas ligas são utilizadas na fabricação de estruturas, soldas, gasodutos, superligas para fabricação de motores a jato em virtude da resistência a corrosão, altas temperaturas, e como supercondutor em meio criogênico.

Pálidos pontos, por um CubeSat

Em 14 de fevereiro de 1990 uma imagem, aparentemente comum, impressionou um dos mais famosos astrônomos da nossa era, Carl Sagan. Foi o registro do nosso Planeta Terra, ocupando apenas 1 pixel da imagem, realizado pela sonda Voyager 1 à incrível distância de 40,5 AU, o qual ele chamou de “pálido ponto azul”, alertando-nos para a necessidade de protegermos o nosso planeta.

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Figura 1. Um pálido ponto azul: nosso Planeta Terra, registrado pela sonda Voyager 1 a mais de 6 bilhões de quilômetros de distância.

O tempo passou, a tecnologia espacial avançou e hoje temos “naves” – ou melhor dizendo, satélites – de tamanhos bastante reduzidos – iguais a uma caixa de presentes. São os chamados CubeSat, acrônimo das palavras em Inglês: Cube e Satellite – Cubo e Satélite.

Os CubeSat são um tipo de satélite miniaturizado usado para pesquisas espaciais e comunicações radioamadoras. Os CubeSats normalmente possuem volume de 1 litro (um cubo de 10 cm) e massa de até 1,33 kg. O interessante é que, normalmente, esse tipo de satélite usa componentes eletrônicos “de prateleira”.

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Figura 2. Aspecto de um CubeSat. Uma caixinha de 10 cm de lado, cheia de componentes eletrônicos simples que são lançados em órbita baixa da Terra – abaixo dos 800 km de altitude – para fazer experiências mais simples e com um custo bem inferior em relação aos satélites tradicionais.

 

A Grande Surpresa dos CubeSats na Missão InSight da NASA

A InSight é uma missão do programa do Discovery da NASA para exploração interior do Planeta Marte, usando investigações sísmicas, geodésia e transporte de calor, que irá colocar um único módulo geofísico em Marte para estudar seu interior profundo. Tratarei desse assunto em outro post, no futuro.

Lançada no dia 5 de maio de 2018, com previsão de chegada ao Planeta Vermelho em 26 de novembro de 2018, levou “de carona” em seu veículo lançador alguns CubeSats para diversos tipos de experiências e entre as quais, testar o quão distantes os CubeSats poderiam suportar o recebimento de comandos a partir do nosso planeta.

O resultado: A NASA estabeleceu um novo recorde de distância para CubeSats em 8 de maio, quando um par de CubeSats chamado Mars Cube One (MarCO) alcançou a distância de 1 milhão de quilômetros da Terra. Um do CubeSats, chamado MarCO-B, usando uma câmera com lentes do tipo “olho de peixe”, tirou sua primeira foto no dia 9 de maio de 2018. Essa foto é parte do processo usado pela equipe de engenharia para confirmar a que antena de alto ganho da nave se desdobrou corretamente. Como um bônus, capturaram a Terra e sua Lua como pequenas partículas flutuando no espaço, lembrando o feito da Voyager 1, 28 anos atrás.

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Figura 3. Pálidos pontos flutuantes no Espaço. Nosso lar, o Planeta Terra, e o único lugar do Universo onde o Homem já pisou além de seu planeta natal.

Vendo essas imagens não há como não lembrar da emocionante reflexão de Carl Sagan durante uma palestra pública na Universidade Cornell em 1994, quando apresentou a imagem da Voyager 1 sobre o profundo significado atrás da ideia do “pálido ponto azul”.

Olhem de novo esse ponto. É aqui, é a nossa casa, somos nós. Nele, todos a quem ama, todos a quem conhece, qualquer um sobre quem você ouviu falar, cada ser humano que já existiu, viveram as suas vidas. O conjunto da nossa alegria e nosso sofrimento, milhares de religiões, ideologias e doutrinas econômicas confiantes, cada caçador e coletor, cada herói e covarde, cada criador e destruidor da civilização, cada rei e camponês, cada jovem casal de namorados, cada mãe e pai, criança cheia de esperança, inventor e explorador, cada professor de ética, cada político corrupto, cada “superestrela”, cada “líder supremo”, cada santo e pecador na história da nossa espécie viveu ali – em um grão de pó suspenso num raio de sol.

A Terra é um cenário muito pequeno numa vasta arena cósmica. Pense nos rios de sangue derramados por todos aqueles generais e imperadores, para que, na sua glória e triunfo, pudessem ser senhores momentâneos de uma fração de um ponto. Pense nas crueldades sem fim infligidas pelos moradores de um canto deste pixel aos praticamente indistinguíveis moradores de algum outro canto, quão frequentes seus desentendimentos, quão ávidos de matar uns aos outros, quão veementes os seus ódios.

As nossas posturas, a nossa suposta auto importância, a ilusão de termos qualquer posição de privilégio no Universo, são desafiadas por este pontinho de luz pálida. O nosso planeta é um grão solitário na imensa escuridão cósmica que nos cerca. Na nossa obscuridade, em toda esta vastidão, não há indícios de que vá chegar ajuda de outro lugar para nos salvar de nós próprios.

A Terra é o único mundo conhecido, até hoje, que abriga vida. Não há outro lugar, pelo menos no futuro próximo, para onde a nossa espécie possa emigrar. Visitar, sim. Assentar-se, ainda não. Gostemos ou não, a Terra é onde temos de ficar por enquanto.

Já foi dito que astronomia é uma experiência de humildade e criadora de caráter. Não há, talvez, melhor demonstração da tola presunção humana do que esta imagem distante do nosso minúsculo mundo. Para mim, destaca a nossa responsabilidade de sermos mais amáveis uns com os outros, e para preservarmos e protegermos o “pálido ponto azul”, o único lar que conhecemos até hoje.

—Carl Sagan

 

Nota do autor

Em astronomia, a Unidade Astronômica (abreviada como AU, por recomendação da União Astronômica Internacional) é uma unidade de distância, aproximadamente igual à distância média entre a Terra e o Sol. É bastante utilizada para descrever a órbita dos planetas e de outros corpos celestes no âmbito da astronomia planetária. Em 2012, a União Astronômica Internacional definiu um valor constante e padrão para a UA, até então considerada como aproximadamente 150 milhões de km. O valor da constante é AU = 149 597 870 700 m.