2019. január 3-án a Föld elérte pályájának azt a pontját, ahol a legközelebb kerül a Naphoz: a perihéliumot. Minden olyan objektum, amely egyetlen tömeg körül kering (mint a mi Napunk), egy ellipszist alkot, amely tartalmazza a legközelebbi megközelítési pontot, amely csak az adott pályára jellemző, és amelyet periapszisnak nevezünk. Az elmúlt 4,5 milliárd évben a Föld ellipszisben keringett a Nap körül, csakúgy, mint az összes többi bolygó a csillaguk körül az összes többi érett naprendszerben a galaxisban és az Univerzumban.

De van valami, amire talán nem számítunk vagy nem értékeljük, hogy mégis megtörténik: A Föld keringési pályája az idő múlásával nem marad ugyanaz, hanem spirálisan kifelé halad. Idén, 2019-ben a perihéliumunk 1,5 centiméterrel messzebb volt, mint tavaly, ami messzebb volt, mint tavalyelőtt, stb. Nem csak a Földről van szó, minden bolygó távolodik a szülőcsillagától. Íme a tudomány, hogy miért.

Az erő, amely az Univerzum minden naprendszere körül keringő minden bolygó pályájáért felelős, ugyanaz: a gravitáció egyetemes törvénye. Akár Newton szerint nézzük, ahol minden tömeg vonzza az Univerzum minden más tömegét, akár Einstein szerint, ahol a tömeg és az energia görbíti a téridő szövetét, amelyen keresztül más tömegek haladnak, a legnagyobb tömeg uralja mindannak a pályáját, amire hatással van.

Ha a központi tömeg változatlan lenne, és ez lenne az egyetlen tényező, akkor a gravitációs erő az idők folyamán állandó maradna. Minden pálya egy tökéletes, zárt ellipszisben folytatódna örökké, és soha nem változna.

Természetesen nem ez történik. Minden Naprendszerben más tömegek is jelen vannak: bolygók, holdak, aszteroidák, kentaurok, Kuiper-övi objektumok, műholdak és még sok más. Ezek a tömegek arra szolgálnak, hogy megzavarják a pályákat, precessziót okozva nekik. Ez azt jelenti, hogy a legközelebbi közeledési pont – a periapszis általában vagy a perihélium egy Napunkhoz viszonyított pálya esetében – idővel elfordul.

A pályamechanika különböző módokon befolyásolja a napéjegyenlőségek precesszióját. A Föld perihéliuma és a decemberi napforduló például még 800 évvel ezelőtt is egy vonalban volt, de lassan eltávolodnak egymástól. A 21 000 éves periódussal a mi perihéliumunk úgy precesszál, hogy nemcsak a pályánk legközelebbi megközelítési pontját változtatja meg, hanem a sarkcsillagok helyét is.

A pályánkat más tényezők is módosítják, többek között:

• az általános relativitáselmélet miatt a téridő további görbülése, ami miatt a nagy tömeghez közeli bolygók további precessziót szenvednek el,
• az anyagrészecskék jelenléte a Naprendszer síkjában, ami ellenállást okoz a bolygókon és inspirációs jelenséget hoz létre,
• és a gravitációs hullámok keletkezése, ami akkor történik, amikor bármilyen tömeg (például egy bolygó) áthalad egy olyan területen, ahol a téridő görbülete megváltozik (például egy csillag közelében), ami szintén inspirációt okoz.

Ez utóbbi két hatás azonban csak szélsőséges körülmények között fontos, például nagyon közel egy nagy, kompakt tömeghez, vagy a naprendszer kialakulásának korai szakaszában, amikor protoplanetáris korongok vannak jelen és még masszívak.

A Föld (és az összes bolygó) ma olyan messze van a Naptól, és olyan kevés anyag veszi körül, hogy az inspirációs időskála trilliószor-quadrilliószor hosszabb, mint az Univerzum jelenlegi kora. Mivel a protoplanetáris korong mintegy 4,5 milliárd évvel ezelőtt teljesen elpárolgott, szinte semmi sem maradt, ami eloszlathatná a szögimpulzusunkat. Az inspirációnkhoz hozzájáruló legnagyobb hatás a napszél kibocsátása, azaz a Napból származó részecskék, amelyek belecsapódnak a bolygónkba és megtapadnak, ami miatt egy kicsit veszítünk a szögimpulzusunkból.

A Föld összességében nem is a Nap felé spirálozik, hanem kifelé, tőle távolodva. Ahogy a Naprendszer összes bolygója is. Minden egyes év elteltével csak egy kicsivel – 1,5 centiméterrel, vagyis a Föld-Nap távolság 0,00000000001%-ával – távolabb kerülünk a Naptól, mint az előző évben.

Az ok, amiért ez így van, magának a Napnak köszönhető.

Mélyen a Nap belsejében zajlik a magfúzió folyamata. A Nap minden másodpercben mintegy 3,846 × 1026 joule energiát bocsát ki, amely a magban a tömeg energiává alakítása révén szabadul fel. Einstein E = mc2-je a kiváltó ok, a magfúzió a folyamat, és a Nap folyamatos energiakibocsátása az eredmény. Ez az energia az a mögöttes folyamat, amely gyakorlatilag minden, a Földön zajló, biológiailag érdekes folyamatot működtet.

Azt azonban nem értékelik eléggé, hogy az anyag energiává való átalakulása idővel azt eredményezi, hogy a Nap jelentős mennyiségű tömeget veszít. A Naprendszer 4,5 milliárd éves története során Napunk a magfúzió folyamatának köszönhetően eredeti tömegének mintegy 0,03%-át veszítette el: ez a Szaturnusz tömegével összemérhető.

Évente mintegy 4,7 millió tonna anyagot veszít a Nap, ami csökkenti a Naprendszerünk minden objektumára ható gravitációs vonzást. Ez a gravitációs vonzás okozza, hogy a pályáink úgy viselkednek, ahogyan azt ismerjük.

Ha a vonzás változatlan maradt volna, akkor a súrlódás, az ütközések és a gravitációs sugárzás hatására egy nagyon-nagyon lassú befelé irányuló spirál alakulna ki. De az általunk ténylegesen tapasztalt változások mellett a Föld, mint minden bolygó, kénytelen lassan eltávolodni és spirálisan kifelé sodródni a Naptól. Bár a hatás kicsi, ez az évi 1,5 centiméteres változás könnyen kiszámítható és egyértelmű.

Azt azonban még nem tudtuk megtenni, hogy közvetlenül mérjük a távolság változását. Tudjuk, hogy ennek meg kell történnie; tudjuk, hogy mekkora lehet a nagysága; tudjuk, hogy spirálisan távolodunk a Naptól; tudjuk, hogy ez történik az összes bolygóval.

De amit nagyon szeretnénk megmérni, közvetlenül, mint a fizika általunk ismert törvényeinek újabb próbáját. Így fejlődik a fizika:

• azzal, hogy megjósoljuk, mit várunk megfigyelni az összes felhalmozott tudásunk és legjobb elméleteink alapján,
• egy olyan kísérlet lefuttatásával/megfigyeléssel, amely egy ilyen teszt eredményeit a szükséges pontossággal méri,
• és összehasonlítjuk azt, amit látunk azzal, amit várunk.

Amikor a dolgok egybevágnak, az elméleteink megerősítést nyernek; amikor nem, az azt jelzi, hogy talán egy tudományos forradalom küszöbén állunk.

A Naprendszer esetében azonban sokkoló lenne, ha a Föld és az összes bolygó nem spirálisan távolodna a Naptól. A történet, hogy miért kell spirálisan távolodnunk a Naptól, olyan egyszerű és meggyőző, hogy lehetetlen figyelmen kívül hagyni.

A Nap energiát bocsát ki, amit mi megfigyelünk, ami lehetővé teszi számunkra, hogy Einstein E = mc2-je segítségével kiszámítsuk a tömegvesztés mértékét.

A Nap tömege, bolygóink pályaparamétereivel együtt, meghatározza a Nap körüli keringésük útját és alakját.

Ha megváltoztatjuk ezt a tömeget, a pályák könnyen kiszámítható mértékben változnak, még az egyszerű newtoni fizika alkalmazásával is.

És ha elvégezzük ezeket a számításokat, azt találjuk, hogy a Föld ~1.5 centimétert évente.

A Nap tömegvesztése a nukleáris üzemanyag elégetésével biztosítja, hogy a Naprendszerünkben keringő minden tömeg az idő előrehaladtával lassan spirálisan kifelé halad. Mintegy 4,5 milliárd évvel ezelőtt bolygónk mintegy 50 000 kilométerrel közelebb volt a Naphoz, mint ma, és a Nap további fejlődésével egyre gyorsabban fog távolodni.

Minden egyes keringéssel, amely eltelt, a bolygók egyre kevésbé kötődnek szorosan a Napunkhoz. Az a sebesség, amellyel a Nap elégeti az üzemanyagát, növekszik, felgyorsítva ezzel az összes bolygó kifelé tartó spiráljának sebességét. Bár ennek soha nem szabadna feloldania egyetlen mai bolygónk kötöttségét sem, minden világ lassú, egyenletes, kifelé irányuló vándorlása elkerülhetetlen.

Ebben az évben közelebb vagyunk a Naphoz, mint valaha is leszünk. Ez igaz az Univerzum minden létező csillaga körül keringő minden bolygóra is, ami még egy okkal több arra, hogy értékeljük mindazt, amink ma van.