地球は太陽から遠ざかっており、すべての惑星がそうである
太陽の周りを公転し、その軸で自転する地球は、閉じた、… 変化しない、楕円の軌道を描くように見えます。 しかし、十分に高い精度で見ると、私たちの惑星は実際には太陽から渦巻き状に遠ざかっていることがわかります。
Larry McNish, RASC Calgary
2019年1月3日、地球はその軌道で太陽に最も接近する地点、近日点へと到達しました。 太陽のように一つの質量の周りを回る天体はすべて楕円を描いており、近日点として知られるその軌道特有の最接近点を含んでいます。 過去45億年間、地球は太陽の周りを楕円で回っていましたが、これは、銀河系や宇宙に存在する成熟した太陽系の中で、星の周りを回る他のすべての惑星と同じです。 地球の軌道は、時間が経っても同じではなく、外側に向かって螺旋を描いているのです。 今年2019年の近日点は、一昨年より遠かった昨年より1.5センチメートル遠かった、など。 地球だけでなく、どの惑星も親星から漂うように離れていくのです。
惑星が太陽の周りを回る正確なモデルで、太陽は銀河の中を…異なる方向に移動します。 惑星はすべて同じ平面上にあり、太陽の後ろに引きずられたり、何らかの航跡を形成することはないことに注意してください。 彼らの軌道は楕円で、時間が経っても一定しているように見えますが、もしそれを正確に測定することができれば、閉じた不変の軌道からわずかに外れていることがわかるでしょう」
リース・テイラー
宇宙のすべての太陽系の周りのすべての惑星の軌道の原因は同じで、万有引力の法則という力です。 この法則は、あらゆる質量が宇宙のあらゆる質量を引き寄せるというニュートンの観点から見ても、質量とエネルギーが他の質量の移動する時空を曲げるというアインシュタインの観点から見ても、最大の質量が、それが影響するすべてのものの軌道を支配しています。
ニュートンの重力理論では、軌道は単一の大きな…質量の周りで発生するとき、完全な楕円を形成します。 しかし、一般相対性理論では、時空の湾曲による歳差運動効果が加わり、これによって軌道は時間とともにずれ、時には測定可能なほどになります。 水星は1世紀あたり43インチ（1インチは1度の3600分の1）、OJ287の小さなブラックホールは12年周回で39度の速度で歳差運動をしている。 S. Levy and R. Patterson / UIUC
もちろん、そのようなことは起こりません。 どの太陽系にも惑星、月、小惑星、ケンタウルス、カイパーベルト天体、衛星など、他の質量が存在する。 これらの質量は、軌道を乱し、歳差運動を引き起こす。 つまり、最接近点(一般的には近点、太陽に対する軌道では近日点)が時間とともに回転するのです。
軌道力学は、さまざまな形で、春分の歳差運動に影響を与えます。 例えば、地球はほんの800年前までは近日点と12月至点が一直線上にありましたが、徐々に離れてきています。 近日点には2万1000年の周期があり、軌道上の最接近点だけでなく、北極星の位置も変化している。 地球の…軌道の歳差運動のために、それらはゆっくりと離れていき、21,000年ごとに1つのサイクルを完了します。
Greg Benson at Wikimedia Commons
他にも軌道を変化させる要因はある。
- 一般相対性理論による時空の曲率が加わり、大きな質量に近い惑星がさらに歳差運動をすること、
- 太陽系の平面内に物質粒子が存在すること。 また、重力波の発生は、時空の曲率が変化している領域（星の近くなど）を質量（惑星など）が通過するときに起こるもので、これもインスパイラル（渦巻き）を引き起こす。
ただし、後者の2つの効果は、大きくてコンパクトな質量のごく近くや、太陽系形成の初期段階で、原始惑星系円盤が存在し、まだ質量があるような、極限状態でのみ重要です。
原始星IM Lupには、その周囲にリングだけでなく中心に向かって螺旋状の・・・特徴を呈する原始惑星系円盤が存在しています。 このような渦巻き状の特徴を引き起こす非常に巨大な惑星が存在する可能性が高いが、まだ確定的な確認はされていない。 太陽系形成の初期には、このような原始惑星系円盤が動的な摩擦を引き起こし、若い惑星が完全な閉じた楕円ではなく、内側に螺旋を描くようになるのです。04040
現在、地球（およびすべての惑星）は太陽から遠く離れ、まばらな物質に囲まれているため、インスパイラルのタイムスケールは現在の宇宙年齢の数兆倍から数十兆倍も長くなっています。 原始惑星系円盤は約45億年前に完全に蒸発してしまったので、私たちの角運動量を散逸させるものはほとんど残っていないのです。 太陽風は太陽からの粒子で、この粒子が地球にぶつかってくっつき、角運動量が少し失われるのです。 太陽系のすべての惑星がそうです。
その理由は、太陽そのものにあります。
この切り絵は、太陽の表面と内部のさまざまな領域を示しており、核融合が行われるコアも含まれています。 時間が経つにつれて、コア内のヘリウムを含む領域が膨張し、最高温度が上昇するため、太陽のエネルギー出力が増加する。
ウィキメディア・コモンズユーザー Kelvinsong
太陽の深部では、核融合の過程が行われている。 太陽は毎秒約3.846×1026ジュールのエネルギーを放出しており、これはコアで質量がエネルギーに変換されることで放出される。 アインシュタインのE=mc2が根本原因であり、核融合がそのプロセス、そして太陽から継続的に放出されるエネルギーがその結果である。 このエネルギーは、地球上で起きている生物学的に興味深いプロセスのほとんどを動かしている根本的なプロセスである
しかし、あまり評価されていないのは、時間とともに、物質をエネルギーに変換することによって、太陽はかなりの量の質量を失っていることだ。 太陽系の45億年の歴史の中で、核融合のプロセスにより、太陽は元の質量の約0.03%を失い、土星の質量に匹敵した。 太陽が核燃料を燃やして質量を失うと、規則は一定に保たれますが、軌道自体は変化します。 NASA
1年ごとに、太陽は約470万トンの物質を失い、太陽系内のすべての天体の引力を弱めているのである。 この引力があるからこそ、私たちの軌道は私たちが知っているような振る舞いをするのです。
もし引力が変わらないままだったら、摩擦、衝突、重力放射の影響により、とてもとても遅い内側への螺旋が起こるでしょう。 しかし、私たちが実際に経験する変化では、地球は、すべての惑星と同様に、太陽からゆっくりと離れていき、外側に螺旋を描くように強制されています。 その影響は小さいのですが、この年間1.5cmの変化は簡単に計算でき、曖昧さがありません。
ソ連が打ち上げた1973年のルノホド2号探査機には、地球からのレーザー光を跳ね返し、月までの距離を割り出すための角・・・反射鏡（装置番号6）が搭載されています。 この技術を使って地球と月の距離をセンチメートル単位の精度で測定することができますが、太陽までの距離をこれほどの精度で測定する技術は存在しません。 私たちはそれが起こるはずだと知っていますし、その大きさも知っています。私たちが太陽から渦巻き状に遠ざかっていることも、これがすべての惑星に起こっていることも知っています。
- 蓄積されたすべての知識と最高の理論に基づいて、観測されると予想されるものを予測することによって、
- そのテスト結果を必要な精度で測定する実験/観測を行い、
- 見たものと予想したものを比較することによって、物理は進歩していくのです。
物事が一致するとき、私たちの理論は確認され、一致しないとき、それは私たちが科学革命の頂点にいる可能性を示しています。
Atacama Large Millimeter/submillimeter Array（ALMA）による観測で、R Sculptoris星の周りの物質中に・・・予期せぬ渦巻き構造があることを発見しました。 この特徴は、これまで見られなかったもので、おそらく恒星の周りを回る隠れた伴星によるもので、アルマ望遠鏡から得られた多くの予想外の科学的成果の一つです。 一般に、予想外の結果は新しい物理や物理系の前兆であり、自然が提供する最も興味深い結果であることが多いのです。
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Maercker et al.
太陽系の場合、地球とすべての惑星が太陽から渦巻き状に遠ざかっていないとしたら、それは衝撃的なことでしょうね。
太陽はエネルギーを出力し、それを私たちは観測し、アインシュタインのE=mc2によって質量損失の速度を計算することができます。
太陽の質量は、惑星の軌道パラメータとともに、惑星が太陽の周りを回転する経路と形状を決定しているのです。
その質量を変えると、まっすぐなニュートン物理学を使っても、軌道は簡単に計算できるほど変化する。
太陽系の既知の天体を順番に並べると、4つの内側の岩石の世界と4つの…外側の巨大な世界が目立ちます。 しかし、太陽の周りを回るすべての天体は、燃料を燃やして質量を失い、太陽系の巨大な中心から螺旋状に遠ざかっています。 この移動を直接観測したわけではありませんが、物理学の予測は極めて明確です。
NASAのThe Space Place
太陽の核燃料を燃やすことによる質量減少は、太陽系を回るすべての質量が、時間の経過と共にゆっくりと外側に螺旋状になることを保証しているのです。 約45億年前、我々の惑星は現在よりも約5万キロメートル太陽に近かったが、太陽が進化を続けるにつれて、より急速に遠くなっていく。
軌道が進むごとに、惑星は我々の太陽との結合が次第に弱くなっていく。 太陽が燃料を燃やし尽くす速度が上がり、すべての惑星が外側に渦を巻く速度が加速されているのだ。 このため、現在ある惑星の束縛が解かれることはありませんが、すべての世界がゆっくりと、着実に、外へと移動していくことは避けられません。 これは宇宙のすべての恒星のまわりにあるすべての惑星にも言えることで、今日あるものすべてに感謝する理由がまたひとつ増えました。