La Tierra se aleja del Sol, al igual que todos los planetas
La Tierra, moviéndose en su órbita alrededor del Sol y girando sobre su eje, parece hacer una órbita elíptica cerrada,… invariable. Sin embargo, si miramos con la suficiente precisión, descubriremos que nuestro planeta en realidad se aleja del Sol en forma de espiral.
Larry McNish, RASC Calgary
El 3 de enero de 2019, la Tierra alcanzó el punto de su órbita en el que está más cerca del Sol: el perihelio. Cada objeto que orbita una sola masa (como nuestro Sol) hace una elipse, que contiene un punto de máxima aproximación que es único para esa órbita en particular, conocido como periapsis. Durante los últimos 4.500 millones de años, la Tierra ha orbitado alrededor del Sol en una elipse, al igual que todos los demás planetas que orbitan alrededor de sus estrellas en todos los demás sistemas solares maduros a lo largo de la galaxia y el Universo.
Pero hay algo que quizá no esperes o no aprecies que, sin embargo, ocurre: La trayectoria orbital de la Tierra no permanece igual a lo largo del tiempo, sino que se mueve en espiral hacia el exterior. Este año, 2019, nuestro perihelio estuvo 1,5 centímetros más lejos que el año pasado, que estuvo más lejos que el año anterior, etc. Tampoco es solo la Tierra; todos los planetas se alejan de su estrella madre. Aquí está la ciencia del por qué.
Un modelo preciso de cómo los planetas orbitan el Sol, que luego se mueve a través de la galaxia en una… dirección de movimiento diferente. Obsérvese que los planetas están todos en el mismo plano, y no se arrastran detrás del Sol ni forman estela de ningún tipo. Sus órbitas son elipses que parecen permanecer constantes a lo largo del tiempo, pero si pudiéramos medirlas con suficiente precisión, veríamos ligeras desviaciones de las órbitas cerradas e inmutables.
Rhys Taylor
La fuerza responsable de las órbitas de cada planeta alrededor de cada sistema solar del Universo es la misma: la ley universal de la gravitación. Tanto si se mira en términos de Newton, donde cada masa atrae a todas las demás masas del Universo, como en términos de Einstein, donde la masa y la energía curvan el tejido del espaciotiempo a través del cual viajan otras masas, la masa más grande domina la órbita de todo lo que influye.
Si la masa central fuera inmutable, y fuera el único factor en juego, la fuerza de la gravedad se mantendría constante en el tiempo. Cada órbita continuaría en una elipse perfecta y cerrada para siempre, y nunca cambiaría.
En la teoría de la gravedad de Newton, las órbitas hacen elipses perfectas cuando se producen alrededor de masas únicas y grandes…. Sin embargo, en la relatividad general, existe un efecto adicional de precesión debido a la curvatura del espacio-tiempo, y esto hace que la órbita se desplace en el tiempo, de una manera que a veces es medible. Mercurio precesiona a un ritmo de 43″ (donde 1″ es 1/3600 de un grado) por siglo; el agujero negro más pequeño del DO 287 precesiona a un ritmo de 39 grados por órbita de 12 años.
NCSA, UCLA / Keck, grupo A. Ghez; Visualización: S. Levy y R. Patterson / UIUC
Por supuesto, eso no es lo que ocurre. Hay otras masas presentes en cada sistema solar: planetas, lunas, asteroides, centauros, objetos del cinturón de Kuiper, satélites y más. Estas masas sirven para perturbar las órbitas, provocando su precesión. Esto significa que el punto de máxima aproximación -periapsis en general o perihelio para una órbita con respecto a nuestro Sol- gira con el tiempo.
La mecánica orbital, de diversas maneras, afecta a la precesión de los equinoccios. La Tierra, por ejemplo, tenía su perihelio y el solsticio de diciembre alineados hace apenas 800 años, pero se están alejando lentamente. Con un período de 21.000 años, nuestro perihelio precesiona de tal manera que altera no sólo el punto de mayor aproximación en nuestra órbita, sino la ubicación de nuestras estrellas polares.
Hace apenas 800 años, el perihelio y el solsticio de invierno se alineaban. Debido a la precesión de la órbita de la Tierra, se alejan lentamente, completando un ciclo completo cada 21.000 años.
Greg Benson en Wikimedia Commons
Hay otros factores que alteran nuestra órbita también, incluyendo:
- la curvatura adicional del espaciotiempo debido a la Relatividad General, que hace que los planetas cercanos a una gran masa sufran una precesión adicional,
- la presencia de partículas de materia en el plano del Sistema Solar, que provoca un arrastre en los planetas y crea un fenómeno de inspiración,
- y la creación de ondas gravitacionales, que es lo que ocurre cuando cualquier masa (como un planeta) pasa por una región en la que la curvatura del espaciotiempo está cambiando (como cerca de una estrella), provocando también una inspiración.
Estos dos últimos efectos, sin embargo, sólo son importantes en condiciones extremas, como muy cerca de una masa grande y compacta, o en las primeras etapas de la formación de un sistema solar, cuando los discos protoplanetarios están presentes y todavía son masivos.
La protoestrella IM Lup tiene un disco protoplanetario a su alrededor que exhibe no sólo anillos, sino una característica espiral… hacia el centro. Es probable que haya un planeta muy masivo que provoque estos rasgos espirales, pero eso aún no se ha confirmado definitivamente. En las primeras etapas de la formación de un sistema solar, estos discos protoplanetarios provocan una fricción dinámica que hace que los planetas jóvenes se muevan en espiral hacia dentro en lugar de completar elipses perfectas y cerradas.
S. M. Andrews et al. y la colaboración DSHARP, arXiv:1812.04040
Hoy en día, la Tierra (y todos los planetas) están tan lejos del Sol y rodeados de una cantidad de materia tan escasa que una escala de tiempo inspiral es de billones a cuatrillones de veces más larga que la edad actual del Universo. Dado que el disco protoplanetario se evaporó por completo hace unos 4.500 millones de años, no queda casi nada para disipar nuestro momento angular. El mayor efecto que contribuye a nuestra inspiral es la emisión del viento solar, es decir, las partículas del Sol, que chocan con nuestro planeta y se pegan, haciéndonos perder un poco de momento angular.
En general, la Tierra ni siquiera está girando en espiral hacia el Sol; está girando en espiral hacia fuera, alejándose de él. Al igual que todos los planetas del Sistema Solar. Cada año que pasa, nos encontramos ligeramente – 1,5 centímetros, o el 0,00000000001% de la distancia Tierra-Sol – más lejos del Sol que el año anterior.
La razón se debe al propio Sol.
Este corte muestra las diversas regiones de la superficie y el interior del Sol, incluyendo el… núcleo, que es donde se produce la fusión nuclear. A medida que pasa el tiempo, la región que contiene helio en el núcleo se expande y la temperatura máxima aumenta, haciendo que la producción de energía del Sol aumente.
Usuario de Wikimedia Commons Kelvinsong
En el interior del Sol se produce el proceso de fusión nuclear. Cada segundo, el Sol emite unos 3,846 × 1026 julios de energía, que se liberan mediante la conversión de masa en energía en el núcleo. E = mc2 de Einstein es la causa fundamental, la fusión nuclear es el proceso y la emisión continua de energía del Sol es el resultado. Esta energía es el proceso subyacente que impulsa prácticamente todos los procesos biológicamente interesantes que ocurren en la Tierra.
Pero lo que se subestima es que, con el tiempo, la conversión de materia en energía hace que el Sol pierda una cantidad considerable de masa. A lo largo de los 4.500 millones de años de historia del Sistema Solar, nuestro Sol, debido al proceso de fusión nuclear, ha perdido aproximadamente el 0,03% de su masa original: comparable a la masa de Saturno.
Los planetas del Sistema Solar, mostrados a la escala de sus tamaños físicos, orbitan todos según… ciertas reglas específicas. A medida que el Sol pierde masa al quemar su combustible nuclear, las reglas permanecen constantes pero las órbitas mismas cambian. A lo largo de la historia del Sistema Solar, nuestro Sol ha perdido el 0,03% de su masa original: aproximadamente la masa de Saturno.
NASA
En cada año, el Sol pierde unos 4,7 millones de toneladas de materia, lo que disminuye la atracción gravitatoria sobre todos los objetos de nuestro Sistema Solar. Es esta atracción gravitatoria la que hace que nuestras órbitas se comporten como sabemos que se comportan.
Si la atracción hubiera permanecido inalterada, se produciría una espiral muy, muy lenta hacia el interior debido a los efectos de la fricción, las colisiones y la radiación gravitatoria. Pero con los cambios que experimentamos en la actualidad, la Tierra, como todos los planetas, se ve obligada a alejarse lentamente y a formar una espiral hacia el exterior del Sol. Aunque el efecto es pequeño, este cambio de 1,5 centímetros por año se puede calcular fácilmente y es inequívoco.
El rover Lunokhod-2, lanzado por la Unión Soviética y mostrado aquí desde 1973, contiene un reflector de esquina (instrumento número 6), que se utiliza para hacer rebotar la luz láser originada en la Tierra para determinar la distancia a la Luna. Con esta técnica se puede obtener una precisión centimétrica de la distancia entre la Tierra y la Luna, pero no se dispone de una técnica semejante para medir la distancia al Sol con tanta exactitud.
Sovfoto/UIG via Getty Images
Sin embargo, lo que no hemos podido hacer es medir directamente ese cambio de distancia. Sabemos que debe producirse; sabemos cuál debe ser su magnitud; sabemos que nos alejamos del Sol en forma de espiral; sabemos que esto les ocurre a todos los planetas.
Pero lo que nos encantaría hacer es medirlo, directamente, como una prueba más de las leyes de la física tal y como las conocemos. Así es como avanza la física:
- prediciendo lo que esperamos observar en base a todo el conocimiento que hemos acumulado y a nuestras mejores teorías,
- ejecutando un experimento/realizando una observación que mida los resultados de dicha prueba con la precisión requerida,
- y para comparar lo que vemos con lo que esperamos.
Cuando las cosas se alinean, nuestras teorías se confirman; cuando no lo hacen, es un indicio de que podríamos estar en la cúspide de una revolución científica.
Las observaciones realizadas con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) han revelado una… inesperada estructura espiral en el material que rodea a la antigua estrella R Sculptoris. Esta característica nunca se había visto antes y probablemente es causada por una estrella compañera oculta que orbita la estrella, uno de los muchos resultados científicos inesperados que han surgido de ALMA. En general, los resultados inesperados pueden ser precursores de nueva física o sistemas físicos, y a menudo son los resultados más interesantes que ofrece la naturaleza.
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Maercker et al.
En el caso del Sistema Solar, sin embargo, sería una sorpresa que la Tierra y todos los planetas no estuvieran alejándose en espiral del Sol. La historia de por qué debemos estar alejándonos en espiral del Sol es tan simple y convincente que es imposible de ignorar.
El Sol emite energía, que observamos, lo que nos permite calcular la tasa de pérdida de masa mediante E = mc2 de Einstein.
La masa del Sol, junto con los parámetros orbitales de nuestros planetas, determina la trayectoria y la forma de cómo giran alrededor del Sol.
Si cambiamos esa masa, las órbitas cambian en una cantidad fácilmente calculable, incluso utilizando la física newtoniana directa.
Y cuando hacemos esos cálculos, encontramos que la Tierra se aleja del Sol a ~1.5 centímetros por año.
Cuando colocamos los objetos conocidos del Sistema Solar en orden, destacan cuatro mundos interiores, rocosos, y cuatro,… exteriores, gigantes. Sin embargo, cada objeto que orbita alrededor del Sol se aleja en espiral del centro masivo de nuestro Sistema Solar a medida que consume su combustible y pierde masa. Aunque no hemos observado directamente esta migración, las predicciones de la física son extremadamente claras.
The Space Place de la NASA
La pérdida de masa del Sol, al quemar su combustible nuclear, asegura que cada masa que orbita en nuestro Sistema Solar se aleja lentamente en espiral a medida que pasa el tiempo. Hace unos 4.500 millones de años, nuestro planeta estaba a unos 50.000 kilómetros más cerca del Sol que en la actualidad, y se distanciará más rápidamente a medida que el Sol siga evolucionando.
Con cada órbita que pasa, los planetas se vuelven progresivamente menos unidos a nuestro Sol. La velocidad a la que el Sol quema su combustible aumenta, acelerando la velocidad a la que todos los planetas salen en espiral. Aunque esto nunca debería desligar a ninguno de los planetas que tenemos hoy en día, la lenta y constante migración hacia el exterior de cada mundo es inevitable.
Estamos más cerca del Sol, este año, de lo que jamás estaremos. Esto es cierto para cada planeta alrededor de cada estrella establecida en el Universo, también, dándonos una razón más para apreciar todo lo que tenemos hoy.