Vores viden om universet uden for Jorden, kommer hovedsageligt fra lys afgivet fra, eller reflekteret af astronomiske objekter. For ethvert givent objekt, bærer lyset information om det objekts temperatur, sammensætning, hastighed og selv beskaffenheden af det materiale, som lyset passerede gennem, på sin vej mod Jorden. Lys, spiller dog en langt større rolle i astronomi, end bare det at være budbringer af information. Lys er en af de fremherskende måder, hvorpå energi transporteres gennem universet. Objekter, så forskellige som stjerner, planeter og enorme skyer af gas og støv, der fylder interstellart rum, opvarmes når de absorbere lys og afkøles når de udsender lys. Lys bærer energi, der er fremstillet i hjertet af en stjerne udad gennem stjernen og videre ud i verdensrummet. Lys transporterer energi fra Solen, ud gennem Solsystemet, og opvarmer planeterne; og lys udsendes fra planeterne og tillader dem at afkøle. Balancen mellem disse to processer, afgør en planets temperatur, og afgør derfor om en planets mulighed for understøttelse af liv.
Historisk, var det svært for videnskabsfolk at forstå lys. Galileo forsøgte at måle lysets hastighed, ved at sende en assistent afsted til en bakketop langt væk. I hans eksperiment, blotlagde Galileo en lanterne, og i det øjeblik assistenten så lyset, blotlagde assistenten sin egen lanterne. Tiden mellem Galileo blotlagde sin lanterne og han så assistentens lys, ville være lysets rejsetid frem og tilbage – plus, selvfølgelig, hans assistents reaktionstid. Galileo kunne ikke måle nogen forsinkelse og konkluderede, at lys måtte bevæge sig meget hurtigt, måske endda uendeligt hurtigt. Faktisk, vi du i denne bog lære, at selvom lys har en maksimal hastighed, er der intet der kan rejse hurtigere end lyset. Lys er universets ultimative hastighedsbegrænsning.
Fordi lys bevæger sig så hurtigt, kræver måling af dets hastighed, enten at man har meget præcise ure, eller adgang til en meget stor ikke-blokeret afstand over hvilken man kan måle dets bevægelse. Galileo havde ingen af delene til rådighed, men ved slutningen af det 17ende århundrede, rådede astronomerne over begge. De store afstande, var afstandene mellem planeterne, og Kepler og Newton, leverede det præcise ur. Husk fra kapitel 3, at ifølge Newtons afledning af Keplers love, er omløbsperioder konstante, hvor hvert omløb, tager nøjagtig den samme tid som det foregående. Denne egenskab gælder for måner der kredser om planeter, såvel som for planeter der kredser om Solen.
I 1670erne, studerede den danske astronom Ole Rømer (1644 – 1710) Jupiters måner og målte tiden for hvornår hver måne forsvandt bag planeten. Meget til hans overraskelse opdagede Rømer, at i stedet for at opretholde et fast interval, ville de observerede tidspunkter, langsomt glide i forhold til forudsigelserne. Nogle gange forsvandt månerne tidligere bag Jupiter end forventet; andre gange forsvandt de for senere end forventet. Det gik op for Rømer, at forskellen afhang af, hvor Jorden var i den bane. Han begyndte at følge månerne når Jorden var tættest på Jupiter og igen når Jorden var længst fra Jupiter. Når Jorden var længst fra Jupiter, var månerne lidt over 16½ minutter ”forsinkede”. Men hvis han ventede til Jorden var tættest på Jupiter, passerede månerne igen bag Jupiter på de forudsagte tidspunkter.
Ofte i videnskaben, peger forskel mellem teoretiske forudsigelser og eksperimentelle resultater i retning af ny viden, og Rømers arbejde var ingen undtagelse. Røber antog, korrekt, at det ikke var Keplers love der havde fejlet, men at han så de første klare beviser på, at lyset rent faktisk har en maksimal hastighed. Månerne synes ”forsinkede” når Jorden var længst fra Jupiter, på grund af tiden der behøvedes, for at rejse den ekstra afstand mellem de to planeter (Figur 4.1).
I løbet af Jordens årlige tur rundt om Solen, varierer afstanden mellem Jorden og Jupiter, med 2 astronomiske enheder (AU), hvilket er omkring 3 · 1011 meter. Lysets hastighed er lig med denne afstand, divideret med Rømers 16,7 minutters forsinkelse, eller omkring 3 · 108 meter per sekund (m/s). Den værdi, som Rømer rent faktisk offentliggjorde i 1676, var lidt på den lave side – 2,25 · 108 m/s – fordi længden på en astronomisk enhed, ikke var kendt præcist på den tid. Men Rømers resultat var mere end rigeligt, til at påpege at lysets hastighed er meget høj.
Den Internationale Rumstation (ISS), bevæger sig rundt om Jorden med en hastighed på omkring 28.000 kilometer i timen (km/t), næsten 8.000 m/s og bruger 91 minutter på et kredsløb om Jorden. Lys bevæger sig næsten 40.000 gange så hurtigt. Lys kan kredse en gang om jorden på kun 1/7 sekund, hvilket forklarer hvorfor Galileos forsøg på at måle lysets hastighed mislykkedes.
En stor del arbejde er blevet udført, for at forbedre Rømers oprindelige resultat. Nutidige målinger af lysets hastighed, lavet på baggrund af fordelene ved lynhurtig elektronik og laser, giver værdien 2,99792458 · 108 m/s i vakuum (en region i rummet uden noget stof). I 1983, blev meteren omdefineret til at være den afstand som lys tilbagelægger i vakuum på 1/299.792.458 sekund.
Lysets hastighed i et vakuum – omkring 300.000 km/s (skrevet ovenover som meter i sekundet) – er en af naturens fundamentale konstanter, normalt skrevet som c (lille c). Husk dog på, at dette er lysets hastighed i vakuum. Lysets hastighed gennem et hvilken som helst medium, som for eksempel luft eller glas, er altid lavere end c.
Husk fra kapitel 1, hvor vi omtalte afstande udtrykt ikke som kilometer, med som enheder af tid. For eksempel tager det lyset 1/4 sekund at bevæge sig mellem Jorden og Månen. Med andre ord, kan vi sige at Månen er 1/4 lyssekund fra Jorden. Solen er 81/3 lysminutter væk, og den nærmeste stjerne (næst efter Solen) er 41/3 lysår væk. Lysets bevægelseshastighed, er en bekvemt måde at udtrykke kosmiske afstande på, og kaldes som grundenhed lysår. Et lysår er defineret som afstanden lyset tilbagelægger på et år, eller omkring 9,5 trillioner kilometer. Selvom den sommetider misbruges som en enhed for tid, er et lysår en enhed for afstand (astronomer bruger ofte en anden enhed til at beskrive stellare og galaktiske afstande; en parsec, forkortet pc. En parsec er lig med 3,26 lysår).