Il 3 gennaio 2019, la Terra ha raggiunto il punto della sua orbita in cui è al suo approccio più vicino al Sole: il perielio. Ogni oggetto che orbita intorno a una singola massa (come il nostro Sole) fa un’ellisse, contenente un punto di avvicinamento più vicino che è unico per quella particolare orbita, noto come periapsi. Negli ultimi 4,5 miliardi di anni, la Terra ha orbitato intorno al Sole in un’ellisse, proprio come tutti gli altri pianeti che orbitano intorno alle loro stelle in tutti gli altri sistemi solari maturi in tutta la galassia e l’Universo.

Ma c’è qualcosa che forse non ti aspetti o non apprezzi che tuttavia si verifica: Il percorso orbitale della Terra non rimane lo stesso nel tempo, ma si muove a spirale verso l’esterno. Quest’anno, 2019, il nostro perielio era 1,5 centimetri più lontano dell’anno scorso, che era più lontano dell’anno prima, ecc. Non è solo la Terra; ogni pianeta si allontana dalla sua stella madre. Ecco la scienza del perché.

La forza responsabile delle orbite di ogni pianeta intorno a ogni sistema solare nell’Universo è la stessa: la legge universale di gravitazione. Sia che la si guardi in termini di Newton, dove ogni massa attrae ogni altra massa nell’Universo, o in termini di Einstein, dove la massa e l’energia curvano il tessuto dello spazio-tempo attraverso il quale viaggiano altre masse, la massa più grande domina l’orbita di tutto ciò che influenza.

Se la massa centrale fosse immutabile, e fosse l’unico fattore in gioco, la forza di gravità rimarrebbe costante nel tempo. Ogni orbita continuerebbe in una perfetta ellisse chiusa per sempre, e non cambierebbe mai.

Naturalmente, non è quello che succede. Ci sono altre masse presenti in ogni sistema solare: pianeti, lune, asteroidi, centauri, oggetti della fascia di Kuiper, satelliti e altro. Queste masse servono a perturbare le orbite, causandone la precessione. Ciò significa che il punto di massimo avvicinamento – periapsi in generale o perielio per un’orbita rispetto al nostro Sole – ruota nel tempo.

La meccanica orbitale, in una varietà di modi, influenza la precessione degli equinozi. La Terra, per esempio, aveva il suo perielio e il solstizio di dicembre allineati solo 800 anni fa, ma si stanno lentamente allontanando. Con un periodo di 21.000 anni, il nostro perielio precede in modo tale da alterare non solo il punto di massima vicinanza nella nostra orbita, ma anche la posizione delle nostre stelle polari.

Ci sono anche altri fattori che alterano la nostra orbita, tra cui:

• la curvatura supplementare dello spaziotempo dovuta alla Relatività Generale, che fa sì che i pianeti vicini ad una grande massa subiscano una precessione supplementare,
• la presenza di particelle di materia nel piano del Sistema Solare, che causa il trascinamento sui pianeti e crea un fenomeno di inspirazione,
• e la creazione di onde gravitazionali, che è ciò che accade quando qualsiasi massa (come un pianeta) passa attraverso una regione in cui la curvatura dello spaziotempo sta cambiando (come vicino a una stella), causando anche un’inspirazione.

Questi ultimi due effetti, tuttavia, sono importanti solo in condizioni estreme, come molto vicino a una massa grande e compatta, o nelle prime fasi della formazione di un sistema solare, quando i dischi protoplanetari sono presenti e ancora massicci.

Oggi la Terra (e tutti i pianeti) sono così lontani dal Sole e circondati da una quantità così scarsa di materia che una scala temporale di ispirazione è da trilioni a quadrilioni di volte più lunga dell’età attuale dell’Universo. Poiché il disco protoplanetario è evaporato completamente circa 4,5 miliardi di anni fa, non è rimasto quasi nulla per dissipare il nostro momento angolare. Il più grande effetto che contribuisce alla nostra inspirazione è l’emissione del vento solare, cioè le particelle dal Sole, che colpiscono il nostro pianeta e si attaccano, facendoci perdere un po’ di momento angolare.

In generale, la Terra non sta nemmeno spirando verso il Sole; sta spirando verso l’esterno, lontano da esso. Così come tutti i pianeti del sistema solare. Ogni anno che passa, ci troviamo solo leggermente – 1,5 centimetri, o 0,00000000001% della distanza Terra-Sole – più lontani dal Sole rispetto all’anno precedente.

Il motivo è dovuto al Sole stesso.

In profondità nel Sole, avviene il processo di fusione nucleare. Ogni secondo, il Sole emette circa 3,846 × 1026 joule di energia, che vengono rilasciati attraverso la conversione della massa in energia nel nucleo. La E = mc2 di Einstein è la causa principale, la fusione nucleare è il processo e la continua emissione di energia dal Sole è il risultato. Questa energia è il processo sottostante che alimenta praticamente tutti i processi biologicamente interessanti che si verificano sulla Terra.

Ma ciò che è sottovalutato è che, nel tempo, la conversione della materia in energia fa perdere al Sole una notevole quantità di massa. Nel corso dei 4,5 miliardi di anni di storia del sistema solare, il nostro Sole, a causa del processo di fusione nucleare, ha perso circa lo 0,03% della sua massa originaria: paragonabile alla massa di Saturno.

Su base annua, il Sole perde circa 4,7 milioni di tonnellate di materia, che diminuisce l’attrazione gravitazionale su ogni oggetto del nostro sistema solare. È questa attrazione gravitazionale che fa sì che le nostre orbite si comportino come sappiamo.

Se l’attrazione fosse rimasta invariata, ci sarebbe una spirale molto, molto lenta verso l’interno a causa degli effetti dell’attrito, delle collisioni e della radiazione gravitazionale. Ma con i cambiamenti che sperimentiamo effettivamente, la Terra, come tutti i pianeti, è costretta ad allontanarsi lentamente e a spiralare verso l’esterno del Sole. Anche se l’effetto è piccolo, questo cambiamento di 1,5 centimetri all’anno è facilmente calcolabile ed è inequivocabile.

Quello che non siamo stati in grado di fare è misurare direttamente la variazione di distanza. Sappiamo che deve avvenire; sappiamo quale deve essere la sua grandezza; sappiamo che ci stiamo allontanando a spirale dal Sole; sappiamo che questo sta accadendo a tutti i pianeti.

Ma quello che ci piacerebbe fare è misurarlo, direttamente, come ennesima prova delle leggi della fisica come le conosciamo. È così che la fisica progredisce:

• prevedendo ciò che ci aspettiamo di osservare in base a tutte le conoscenze che abbiamo accumulato e alle nostre migliori teorie,
• eseguendo un esperimento/facendo un’osservazione che misuri i risultati di tale test con la precisione richiesta,
• e per confrontare ciò che vediamo con ciò che ci aspettiamo.

Quando le cose si allineano, le nostre teorie sono confermate; quando non lo fanno, è un’indicazione che potremmo essere all’apice di una rivoluzione scientifica.

Nel caso del sistema solare, però, sarebbe uno shock se la Terra e tutti i pianeti non si allontanassero a spirale dal Sole. La storia del perché ci stiamo allontanando a spirale dal Sole è così semplice e convincente che è impossibile da ignorare.

Il Sole emette energia, che noi osserviamo, che ci permette di calcolare il tasso di perdita di massa tramite la formula E = mc2 di Einstein.

La massa del Sole, insieme ai parametri orbitali dei nostri pianeti, determina il percorso e la forma di come essi girano intorno al Sole.

Se cambiamo quella massa, le orbite cambiano di una quantità facilmente calcolabile, anche usando la semplice fisica newtoniana.

E quando facciamo quei calcoli, troviamo che la Terra migra lontano dal Sole a ~1.5 centimetri all’anno.

La perdita di massa del Sole, bruciando il suo combustibile nucleare, assicura che ogni massa che orbita nel nostro sistema solare si stia lentamente allontanando a spirale con il passare del tempo. Circa 4,5 miliardi di anni fa, il nostro pianeta era circa 50.000 chilometri più vicino al Sole di quanto lo sia oggi, e si allontanerà sempre più rapidamente man mano che il Sole continua ad evolversi.

Con ogni orbita che passa, i pianeti diventano progressivamente meno legati al nostro Sole. La velocità con cui il Sole brucia il suo carburante sta aumentando, accelerando la velocità con cui tutti i pianeti spiraleggiano verso l’esterno. Mentre questo non dovrebbe mai slegare nessuno dei pianeti che abbiamo oggi, la lenta, costante, migrazione verso l’esterno di ogni mondo è inevitabile.

Siamo più vicini al Sole, quest’anno, di quanto lo saremo mai più. Questo è vero anche per ogni pianeta intorno ad ogni stella stabilita nell’Universo, dandoci una ragione in più per apprezzare tutto ciò che abbiamo oggi.

Si può dire che il nostro pianeta è più vicino al Sole.