Le 3 janvier 2019, la Terre a atteint le point de son orbite où elle est au plus près du Soleil : le périhélie. Chaque objet orbitant autour d’une seule masse (comme notre Soleil) forme une ellipse, contenant un point d’approche le plus proche qui est unique à cette orbite particulière, connu sous le nom de périhélie. Au cours des 4,5 milliards d’années passées, la Terre a tourné autour du Soleil dans une ellipse, tout comme toutes les autres planètes orbitant autour de leur étoile dans tous les autres systèmes solaires matures à travers la galaxie et l’Univers.

Mais il y a quelque chose à quoi vous ne vous attendez peut-être pas ou que vous n’appréciez pas qui se produit néanmoins : La trajectoire orbitale de la Terre ne reste pas la même au fil du temps, mais spirale vers l’extérieur. Cette année, en 2019, notre périhélie était plus éloignée de 1,5 centimètre que l’année dernière, qui était plus éloignée que l’année précédente, etc. Il n’y a pas que la Terre, chaque planète s’éloigne de son étoile mère. Voici la science qui explique pourquoi.

La force responsable des orbites de chaque planète autour de chaque système solaire dans l’Univers est la même : la loi universelle de la gravitation. Que vous la regardiez en termes de Newton, où chaque masse attire toutes les autres masses de l’Univers, ou en termes d’Einstein, où la masse et l’énergie courbent le tissu de l’espace-temps à travers lequel les autres masses voyagent, la plus grande masse domine l’orbite de tout ce qu’elle influence.

Si la masse centrale était immuable, et était le seul facteur en jeu, la force de gravité resterait constante dans le temps. Chaque orbite continuerait dans une ellipse parfaite et fermée pour toujours, et ne changerait jamais.

Bien sûr, ce n’est pas ce qui se passe. D’autres masses sont présentes dans chaque système solaire : planètes, lunes, astéroïdes, centaures, objets de la ceinture de Kuiper, satellites et autres. Ces masses ont pour effet de perturber les orbites et de les faire précéder. Cela signifie que le point d’approche le plus proche – périapsis en général ou périhélie pour une orbite par rapport à notre Soleil – tourne au fil du temps.

La mécanique orbitale, de diverses manières, affecte la précession des équinoxes. La Terre, par exemple, avait son périhélie et le solstice de décembre alignés il y a seulement 800 ans, mais ils s’éloignent lentement. Avec une période de 21 000 ans, notre périhélie précède de telle manière qu’il modifie non seulement le point d’approche le plus proche de notre orbite, mais aussi l’emplacement de nos étoiles polaires.

Il existe d’autres facteurs qui modifient également notre orbite, notamment :

• la courbure supplémentaire de l’espace-temps due à la relativité générale, qui fait subir aux planètes proches d’une grande masse une précession supplémentaire,
• la présence de particules de matière dans le plan du système solaire, qui provoque une traînée sur les planètes et crée un phénomène d’inspiration,
• et la création d’ondes gravitationnelles, ce qui se produit lorsqu’une masse quelconque (comme une planète) traverse une région où la courbure de l’espace-temps change (comme près d’une étoile), provoquant également une inspiration.

Ces deux derniers effets, cependant, ne sont importants que dans des conditions extrêmes, comme très près d’une grande masse compacte, ou dans les premiers stades de la formation d’un système solaire, lorsque les disques protoplanétaires sont présents et encore massifs.

Aujourd’hui, la Terre (et toutes les planètes) sont si loin du Soleil et entourées d’une quantité de matière si éparse qu’une échelle de temps inspiratoire est des trillions à des quadrillions de fois plus longue que l’âge actuel de l’Univers. Le disque protoplanétaire s’étant entièrement évaporé il y a environ 4,5 milliards d’années, il ne reste presque plus rien pour dissiper notre moment angulaire. Le plus grand effet contribuant à notre inspiration est l’émission du vent solaire, c’est-à-dire des particules provenant du Soleil, qui percutent notre planète et s’y collent, nous faisant perdre un peu de moment angulaire.

Dans l’ensemble, la Terre n’est même pas en spirale vers le Soleil ; elle est en spirale vers l’extérieur, s’éloignant de lui. Il en est de même pour toutes les planètes du système solaire. Chaque année qui passe, nous nous trouvons un peu plus loin – 1,5 centimètre, soit 0,00000000001% de la distance Terre-Soleil – du Soleil que l’année précédente.

La raison en est due au Soleil lui-même.

Peu profondément à l’intérieur du Soleil, le processus de fusion nucléaire se produit. Chaque seconde, le Soleil émet quelque 3,846 × 1026 joules d’énergie, qui sont libérés via la conversion de la masse en énergie dans le noyau. La formule E = mc2 d’Einstein est la cause première, la fusion nucléaire est le processus et l’émission continue d’énergie par le Soleil en est le résultat. Cette énergie est le processus sous-jacent qui alimente pratiquement tous les processus biologiquement intéressants qui se produisent sur Terre.

Mais ce qui est sous-estimé, c’est qu’avec le temps, la conversion de la matière en énergie fait que le Soleil perd une quantité considérable de masse. Au cours des 4,5 milliards d’années d’histoire du système solaire, notre Soleil, en raison du processus de fusion nucléaire, a perdu environ 0,03% de sa masse initiale : comparable à la masse de Saturne.

Au fil des ans, le Soleil perd quelque 4,7 millions de tonnes de matière, ce qui diminue l’attraction gravitationnelle sur chaque objet de notre système solaire. C’est cette attraction gravitationnelle qui fait que nos orbites se comportent comme nous le savons.

Si l’attraction était restée inchangée, il y aurait une spirale vers l’intérieur très, très lente due aux effets de la friction, des collisions et du rayonnement gravitationnel. Mais avec les changements que nous connaissons réellement, la Terre, comme toutes les planètes, est contrainte de s’éloigner lentement et de partir en spirale vers l’extérieur du Soleil. Bien que l’effet soit faible, ce changement de 1,5 centimètre par an est facilement calculable et sans ambiguïté.

Ce que nous n’avons pas été capables de faire, c’est de mesurer directement ce changement de distance, cependant. Nous savons qu’il doit se produire ; nous savons quelle doit être sa magnitude ; nous savons que nous nous éloignons du Soleil en spirale ; nous savons que cela arrive à toutes les planètes.

Mais ce que nous aimerions faire, c’est le mesurer, directement, comme un énième test des lois de la physique telles que nous les connaissons. C’est ainsi que la physique progresse :

• en prédisant ce que nous nous attendons à observer sur la base de toutes les connaissances que nous avons accumulées et de nos meilleures théories,
• en réalisant une expérience/une observation qui mesure les résultats d’un tel test avec la précision requise,
• et pour comparer ce que nous voyons avec ce que nous attendons.

Quand les choses concordent, nos théories sont confirmées ; quand ce n’est pas le cas, c’est une indication que nous pourrions être à l’aube d’une révolution scientifique.

Dans le cas du système solaire, cependant, ce serait un choc si la Terre et toutes les planètes ne s’éloignaient pas du Soleil en spirale. L’histoire de la raison pour laquelle nous devons nous éloigner du Soleil en spirale est tellement simple et convaincante qu’il est impossible de l’ignorer.

Le Soleil produit de l’énergie, que nous observons, ce qui nous permet de calculer le taux de perte de masse via E = mc2 d’Einstein.

La masse du Soleil, ainsi que les paramètres orbitaux de nos planètes, déterminent la trajectoire et la forme de la façon dont elles tournent autour du Soleil.

Si nous changeons cette masse, les orbites changent d’une quantité facilement calculable, même en utilisant la physique newtonienne directe.

Et quand nous faisons ces calculs, nous trouvons que la Terre migre loin du Soleil à ~1.5 centimètres par an.

La perte de masse du Soleil, en brûlant son combustible nucléaire, fait en sorte que chaque masse en orbite dans notre système solaire s’éloigne lentement en spirale au fil du temps. Il y a quelque 4,5 milliards d’années, notre planète était environ 50 000 kilomètres plus proche du Soleil qu’elle ne l’est aujourd’hui, et elle s’éloignera plus rapidement au fur et à mesure que le Soleil continuera d’évoluer.

Avec chaque orbite qui passe, les planètes deviennent progressivement moins étroitement liées à notre Soleil. La vitesse à laquelle le Soleil brûle son combustible augmente, accélérant la vitesse à laquelle toutes les planètes spiralent vers l’extérieur. Bien que cela ne devrait jamais délier aucune des planètes que nous avons aujourd’hui, la migration lente, régulière et vers l’extérieur de chaque monde est inévitable.

Nous sommes plus proches du Soleil, cette année, que nous ne le serons jamais plus. Cela est également vrai pour chaque planète autour de chaque étoile établie dans l’Univers, ce qui nous donne une raison supplémentaire d’apprécier tout ce que nous avons aujourd’hui.