Den 3 januari 2019 nådde jorden den punkt i sin omloppsbana där den befinner sig närmast solen: perihelium. Varje objekt som kretsar kring en enda massa (som vår sol) gör en ellips, som innehåller en punkt för närmsta närmande som är unik för just den omloppsbanan, känd som periapsis. Under de senaste 4,5 miljarder åren har jorden kretsat kring solen i en ellips, precis som alla andra planeter som kretsar kring sina stjärnor i alla andra mogna solsystem i hela galaxen och universum.

Men det finns något du kanske inte förväntar dig eller uppskattar som ändå inträffar: Jordens omloppsbana förblir inte densamma med tiden, utan spiralerar utåt. I år, 2019, var vårt perihelium 1,5 centimeter längre bort än det var förra året, vilket var längre bort än året innan, osv. Det är inte heller bara jorden; alla planeter driver bort från sin moderstjärna. Här är vetenskapen om varför.

Den kraft som är ansvarig för varje planets banor runt varje solsystem i universum är densamma: den universella gravitationslagen. Oavsett om man ser på den i Newtons termer, där varje massa drar till sig alla andra massor i universum, eller i Einsteins termer, där massa och energi kröker rymdtidens väv genom vilken andra massor färdas, så dominerar den största massan omloppsbanan för allt den påverkar.

Om den centrala massan var oföränderlig och var den enda faktorn som spelade in, skulle gravitationskraften förbli konstant över tiden. Varje omloppsbana skulle fortsätta i en perfekt, sluten ellips för alltid och aldrig förändras.

Självklart är det inte vad som händer. Det finns andra massor som finns i varje solsystem: planeter, månar, asteroider, centaurer, Kuiperbältesobjekt, satelliter med mera. Dessa massor tjänar till att störa banorna och får dem att precessera. Detta innebär att punkten för närmsta närmande – periapsis i allmänhet eller perihelion för en bana med avseende på vår sol – roterar över tiden.

Orbitalmekaniken påverkar på olika sätt ekvinoxernas precession. Jorden, till exempel, hade sin perihelion och decembersolståndet i linje för bara 800 år sedan, men de håller långsamt på att glida isär. Med en period på 21 000 år precesserar vårt perihelium på ett sådant sätt att det ändrar inte bara den närmaste punkten i vår bana, utan även placeringen av våra polstjärnor.

Det finns även andra faktorer som förändrar vår bana, bland annat:

• den ytterligare krökningen av rymdtiden på grund av den allmänna relativitetsteorin, som gör att planeter nära en stor massa genomgår ytterligare precession,
• närvaron av materiepartiklar i solsystemets plan, vilket orsakar dragkraft på planeterna och skapar ett inspirerande fenomen,
• och skapandet av gravitationsvågor, vilket är vad som händer när en massa (som en planet) passerar genom ett område där rymdtidens krökning förändras (t.ex. i närheten av en stjärna), vilket också orsakar ett inspirerande fenomen.

De här två sistnämnda effekterna är dock bara viktiga under extrema förhållanden, till exempel mycket nära en stor, kompakt massa, eller i de tidiga stadierna av ett solsystems bildning, när protoplanetära skivor finns och fortfarande är massiva.

I dag befinner sig jorden (och alla planeter) så långt från solen och är omgivna av en så sparsam mängd materia att en tidsskala för en inspiral är biljoner till kvadriljoner gånger längre än universums nuvarande ålder. Eftersom den protoplanetära skivan förångades helt och hållet för cirka 4,5 miljarder år sedan finns det nästan ingenting kvar som kan sprida vårt vinkelmoment. Den största effekten som bidrar till vår inspiral är utsläppet av solvinden, det vill säga partiklar från solen, som slår in i vår planet och fastnar, vilket gör att vi förlorar lite av vårt vinkelmoment.

Totalt sett spiralar jorden inte ens inåt mot solen; den spiralar utåt, bort från den. Det gör alla planeter i solsystemet också. För varje år som går befinner vi oss bara något – 1,5 centimeter, eller 0,00000000001% av avståndet mellan jorden och solen – längre bort från solen än året innan.

Anledningen till detta beror på själva solen.

Djupt inne i solen sker processen med kärnfusion. Varje sekund avger solen cirka 3,846 × 1026 joule energi, som frigörs via omvandlingen av massa till energi i kärnan. Einsteins E = mc2 är grundorsaken, kärnfusion är processen och det kontinuerliga utsläppet av energi från solen är resultatet. Denna energi är den underliggande process som driver praktiskt taget varje biologiskt intressant process som sker på jorden.

Men vad som är underskattat är att omvandlingen av materia till energi med tiden resulterar i att solen förlorar en avsevärd mängd massa. Under solsystemets 4,5 miljarder år långa historia har vår sol, på grund av kärnfusionsprocessen, förlorat ungefär 0,03 procent av sin ursprungliga massa: jämförbart med Saturnus massa.

Om året förlorar solen cirka 4,7 miljoner ton materia, vilket minskar gravitationens dragningskraft på alla objekt i vårt solsystem. Det är denna gravitationella dragningskraft som gör att våra banor beter sig som vi vet att de gör.

Om dragningskraften hade förblivit oförändrad skulle det bli en mycket, mycket långsam inåtriktad spiral på grund av effekterna av friktion, kollisioner och gravitationsstrålning. Men med de förändringar som vi faktiskt upplever tvingas jorden, liksom alla planeter, att långsamt driva bort och spiralera utåt från solen. Även om effekten är liten är denna förändring på 1,5 centimeter per år lätt att beräkna och otvetydig.

Vad vi dock inte har kunnat göra är att mäta den förändringen i avstånd direkt. Vi vet att den måste inträffa, vi vet hur stor den måste vara, vi vet att vi rör oss i en spiral bort från solen, vi vet att detta händer med alla planeter.

Men vad vi gärna skulle vilja göra är att mäta den, direkt, som ännu ett test av fysikens lagar så som vi känner dem. Det är så fysiken gör framsteg:

• genom att förutsäga vad vi förväntar oss att observera baserat på all den kunskap vi har samlat och våra bästa teorier,
• genom att genomföra ett experiment/genomföra en observation som mäter resultaten av ett sådant test med erforderlig precision,
• och för att jämföra vad vi ser med vad vi förväntar oss.

När saker och ting stämmer överens bekräftas våra teorier; när de inte gör det är det en indikation på att vi kan stå på tröskeln till en vetenskaplig revolution.

Inom solsystemet skulle det dock vara en chock om jorden och alla planeterna inte var på väg bort från solen i en spiral. Historien om varför vi måste vara i en spiral bort från solen är så enkel och övertygande att den är omöjlig att ignorera.

Solen avger energi, som vi observerar, vilket gör det möjligt för oss att beräkna hastigheten på massaförlusten via Einsteins E = mc2.

Solens massa, tillsammans med våra planeters banparametrar, bestämmer banan och formen för hur de kretsar runt solen.

Om vi ändrar den massan förändras banorna med en lättberäknelig mängd, även med hjälp av enkel newtonsk fysik.

Och när vi gör dessa beräkningar finner vi att jorden vandrar bort från solen med ~1.5 centimeter per år.

Solens massaförlust, genom att den förbränner sitt kärnbränsle, säkerställer att varje massa som kretsar kring vårt solsystem sakta spiralformas utåt med tiden. För cirka 4,5 miljarder år sedan var vår planet cirka 50 000 kilometer närmare solen än vad den är i dag, och den kommer att avlägsna sig allt snabbare i takt med att solen fortsätter att utvecklas.

För varje omloppsbana som passerar blir planeterna successivt allt mindre tätt bundna till vår sol. Hastigheten med vilken solen förbränner sitt bränsle ökar, vilket accelererar hastigheten med vilken alla planeter spiralar utåt. Även om detta aldrig skulle kunna lösa upp någon av de planeter vi har idag, är den långsamma, stadiga, utåtriktade migrationen av varje värld oundviklig.

Vi är närmare solen, i år, än vad vi någonsin kommer att vara igen. Detta gäller också för varje planet runt varje etablerad stjärna i universum, vilket ger oss ytterligare en anledning att uppskatta allt vi har idag.