De Aarde drijft weg van de Zon, en alle Planeten ook
De Aarde, bewegend in haar baan rond de Zon en draaiend om haar as, lijkt een gesloten,… onveranderlijke, elliptische baan te maken. Als we echter met voldoende precisie kijken, zien we dat onze planeet in feite spiraalsgewijs van de zon weg draait.
Larry McNish, RASC Calgary
Op 3 januari 2019 bereikte de aarde het punt in haar baan waar ze het dichtst bij de zon komt: perihelium. Elk object dat rond een enkele massa draait (zoals onze zon) maakt een ellips, met daarin een punt van dichtste nadering dat uniek is voor die specifieke baan, bekend als periapsis. De afgelopen 4,5 miljard jaar heeft de Aarde in een ellips om de Zon gedraaid, net als alle andere planeten die om hun sterren draaien in alle andere volgroeide zonnestelsels in het hele melkwegstelsel en Universum.
Maar er is iets wat je misschien niet verwacht of waardeert dat toch gebeurt: De baan van de aarde blijft in de loop der tijd niet hetzelfde, maar spiraalt naar buiten. Dit jaar, 2019, was ons perihelium 1,5 centimeter verder weg dan vorig jaar, dat verder weg was dan het jaar daarvoor, enzovoort. Het is niet alleen de aarde; elke planeet drijft weg van zijn moederster. Hier is de wetenschap waarom.
Een nauwkeurig model van hoe de planeten rond de zon draaien, die dan door het melkwegstelsel beweegt in een… andere bewegingsrichting. Merk op dat de planeten zich allemaal in hetzelfde vlak bevinden, en niet achter de zon aanslepen of een soort kielzog vormen. Hun banen zijn ellipsen die constant lijken te blijven in de tijd, maar als we ze nauwkeurig genoeg zouden kunnen meten, zouden we kleine afwijkingen zien van gesloten, onveranderlijke banen.
Rhys Taylor
De kracht die verantwoordelijk is voor de banen van elke planeet rond elk zonnestelsel in het heelal is hetzelfde: de universele wet van gravitatie. Of je het nu bekijkt in termen van Newton, waar elke massa elke andere massa in het heelal aantrekt, of in termen van Einstein, waar massa en energie het weefsel van de ruimtetijd krommen waardoor andere massa’s reizen, de grootste massa domineert de baan van alles wat zij beïnvloedt.
Als de centrale massa onveranderlijk zou zijn, en de enige factor in het spel, dan zou de zwaartekracht constant blijven in de tijd. Elke baan zou voor altijd in een perfecte, gesloten ellips blijven, en zou nooit veranderen.
In Newtons zwaartekrachtstheorie maken banen perfecte ellipsen als ze zich rond afzonderlijke, grote… massa’s bevinden. In de Algemene Relativiteit is er echter een extra precessie-effect door de kromming van de ruimtetijd, waardoor de baan in de tijd verschuift, op een manier die soms meetbaar is. Mercurius precesseert met een snelheid van 43″ (waarbij 1″ 1/3600e van een graad is) per eeuw; het kleinere zwarte gat in OJ 287 precesseert met een snelheid van 39 graden per 12-jarige baan.
NCSA, UCLA / Keck, A. Ghez groep; Visualisatie: S. Levy and R. Patterson / UIUC
Dat is natuurlijk niet wat er gebeurt. Er zijn andere massa’s aanwezig in elk zonnestelsel: planeten, manen, asteroïden, centauren, Kuipergordelobjecten, satellieten en meer. Deze massa’s verstoren de banen, waardoor ze voorwaarts bewegen. Dit betekent dat het punt van nadering – periapsis in het algemeen of perihelium voor een baan ten opzichte van onze zon – in de loop van de tijd draait.
Orbitale mechanica heeft op verschillende manieren invloed op de precessie van equinoxen. De aarde bijvoorbeeld, had haar perihelium en de december zonnewende nog maar 800 jaar geleden op één lijn, maar ze drijven langzaam uit elkaar. Met een periode van 21.000 jaar precesseert ons perihelium zodanig dat het niet alleen het punt van nadering in onze baan verandert, maar ook de plaats van onze poolsterren.
Nog geen 800 jaar geleden stonden het perihelium en de winterzonnewende nog op één lijn. Door de precessie van de baan van de aarde, drijven ze langzaam uit elkaar en voltooien elke 21.000 jaar een volledige cyclus.
Greg Benson bij Wikimedia Commons
Er zijn nog andere factoren die onze baan ook veranderen, waaronder:
- de extra kromming van ruimtetijd als gevolg van de Algemene Relativiteit, waardoor planeten in de buurt van een grote massa extra precessie ondergaan,
- de aanwezigheid van materiedeeltjes in het vlak van het zonnestelsel, waardoor de planeten worden opgezweept en er een inspiratiefenomeen ontstaat,
- en het ontstaan van gravitatiegolven, wat gebeurt als een massa (zoals een planeet) door een gebied gaat waar de kromming van de ruimtetijd verandert (zoals bij een ster), waardoor ook een inspiratiefenomeen ontstaat.
Deze laatste twee effecten zijn echter alleen van belang onder extreme omstandigheden, zoals zeer dicht bij een grote, compacte massa, of in de vroege stadia van de vorming van een zonnestelsel, wanneer protoplanetaire schijven aanwezig zijn en nog massief.
De protoster IM Lup heeft een protoplanetaire schijf om zich heen die niet alleen ringen vertoont, maar ook een spiraal… eigenschap naar het centrum toe. Er is waarschijnlijk een zeer massieve planeet die deze spiraalvormige kenmerken veroorzaakt, maar dat moet nog definitief worden bevestigd. In de vroege stadia van de vorming van een zonnestelsel veroorzaken deze protoplanetaire schijven dynamische wrijving, waardoor jonge planeten naar binnen spiraliseren in plaats van perfecte, gesloten ellipsen te maken.
S. M. Andrews et al. and the DSHARP collaboration, arXiv:1812.04040
De Aarde (en alle planeten) zijn tegenwoordig zo ver van de Zon verwijderd en omgeven door zo’n kleine hoeveelheid materie, dat een inspiratietijdschaal triljoenen tot quadriljoenen keren langer is dan de huidige leeftijd van het Heelal. Omdat de protoplanetaire schijf zo’n 4,5 miljard jaar geleden volledig verdampte, is er bijna niets meer over om ons impulsmoment af te voeren. Het grootste effect dat bijdraagt aan onze inspiratiespiraal is de uitstoot van de zonnewind, d.w.z. deeltjes van de Zon, die tegen onze planeet botsen en blijven plakken, waardoor wij een klein beetje impulsmoment verliezen.
Over het geheel genomen draait de Aarde niet eens in een spiraal naar de Zon toe; zij draait naar buiten toe, van de Zon af. Dat geldt ook voor alle planeten van het zonnestelsel. Met elk jaar dat voorbijgaat, bevinden we ons slechts een klein beetje – 1,5 centimeter, of 0,00000000001% van de afstand Aarde-Zon – verder van de Zon dan het jaar ervoor.
De reden waarom is te wijten aan de Zon zelf.
Deze uitsnede toont de verschillende regio’s van het oppervlak en het inwendige van de Zon, met inbegrip van de… kern, waar de kernfusie plaatsvindt. Naarmate de tijd verstrijkt, zet het heliumhoudende gebied in de kern uit en stijgt de maximumtemperatuur, waardoor de energie-output van de zon toeneemt.
Wikimedia Commons gebruiker Kelvinsong
Diep in het binnenste van de zon vindt het proces van kernfusie plaats. Elke seconde zendt de zon ongeveer 3,846 x 1026 joule aan energie uit, die vrijkomt bij de omzetting van massa in energie in de kern. Einsteins E = mc2 is de hoofdoorzaak, kernfusie is het proces, en de voortdurende uitstoot van energie door de zon is het resultaat. Deze energie is het onderliggende proces dat praktisch elk biologisch interessant proces op aarde aandrijft.
Maar wat ondergewaardeerd wordt is dat, na verloop van tijd, de omzetting van materie in energie tot gevolg heeft dat de Zon een aanzienlijke hoeveelheid massa verliest. In de loop van de 4,5 miljard jaar durende geschiedenis van het zonnestelsel heeft onze Zon, door het proces van kernfusie, ongeveer 0,03% van haar oorspronkelijke massa verloren: vergelijkbaar met de massa van Saturnus.
De planeten van het zonnestelsel draaien, afgezet tegen de schaal van hun fysieke afmetingen, allemaal volgens… bepaalde specifieke regels. Als de zon massa verliest door het verbranden van haar nucleaire brandstof, blijven de regels constant, maar de banen zelf veranderen. In de loop van de geschiedenis van het zonnestelsel heeft onze zon 0,03% van haar oorspronkelijke massa verloren: ongeveer de massa van Saturnus.
NASA
Op jaarbasis verliest de zon zo’n 4,7 miljoen ton materie, waardoor de zwaartekracht op elk object in ons zonnestelsel afneemt. Het is deze zwaartekracht die ervoor zorgt dat onze banen zich gedragen zoals wij weten dat ze zich gedragen.
Als de aantrekkingskracht onveranderd was gebleven, zou er sprake zijn van een zeer, zeer langzame inwaartse spiraal als gevolg van de effecten van wrijving, botsingen, en zwaartekrachtstraling. Maar met de veranderingen die we nu meemaken, wordt de aarde, net als alle planeten, gedwongen langzaam weg te drijven en een spiraal naar buiten te maken, weg van de zon. Hoewel het effect klein is, is deze verandering van 1,5 centimeter per jaar gemakkelijk te berekenen en ondubbelzinnig.
De Lunokhod-2 rover, gelanceerd door de Sovjet-Unie en hier afgebeeld uit 1973, bevat een hoek… reflector (instrument nummer 6), die wordt gebruikt om van de aarde afkomstig laserlicht op af te kaatsen om de afstand tot de maan te bepalen. Met deze techniek kan de afstand tussen de aarde en de maan op centimeterniveau nauwkeurig worden bepaald, maar er bestaat geen techniek om de afstand tot de zon met een dergelijke nauwkeurigheid te meten.
Sovfoto/UIG via Getty Images
Wat we echter nog niet hebben kunnen doen, is die verandering in afstand rechtstreeks meten. We weten dat het moet gebeuren; we weten hoe groot het moet zijn; we weten dat we in een spiraal weg van de zon draaien; we weten dat dit met alle planeten gebeurt.
Maar wat we heel graag zouden willen doen is het rechtstreeks meten, als weer een nieuwe test van de wetten van de natuurkunde zoals wij die kennen. Dat is hoe de natuurkunde vooruitgaat:
- door te voorspellen wat we verwachten waar te nemen op basis van alle kennis die we hebben verzameld en onze beste theorieën,
- door een experiment uit te voeren/een waarneming te doen die de resultaten van zo’n test met de vereiste precisie meet,
- en te vergelijken wat we zien met wat we verwachten.
Wanneer de dingen kloppen, zijn onze theorieën bevestigd; wanneer zij dat niet doen, is het een aanwijzing dat wij misschien op de vooravond van een wetenschappelijke revolutie staan.
Observaties met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hebben een… onverwachte spiraalstructuur in het materiaal rond de oude ster R Sculptoris onthuld. Dit verschijnsel is nog nooit eerder waargenomen en wordt waarschijnlijk veroorzaakt door een verborgen begeleider die om de ster draait, een van de vele onverwachte wetenschappelijke resultaten die ALMA heeft opgeleverd. In het algemeen kunnen onverwachte resultaten voorbodes zijn van nieuwe fysica of fysische systemen, en het zijn vaak de interessantste resultaten die de natuur te bieden heeft.
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Maercker et al.
In het geval van het zonnestelsel zou het echter een schok zijn als de Aarde en alle planeten niet in een spiraal van de Zon weg zouden draaien. Het verhaal waarom wij in een spiraal van de Zon weg moeten draaien is zo eenvoudig en overtuigend dat het onmogelijk is het te negeren.
De Zon geeft energie af, die wij waarnemen, waardoor wij de snelheid van het massaverlies kunnen berekenen via Einstein’s E = mc2.
De massa van de Zon, samen met de baanparameters van onze planeten, bepaalt het pad en de vorm van hoe zij rond de Zon draaien.
Als we die massa veranderen, veranderen de banen met een gemakkelijk te berekenen hoeveelheid, zelfs met behulp van eenvoudige Newtoniaanse natuurkunde.
En als we die berekeningen doen, vinden we dat de Aarde van de Zon af beweegt met ~1.
Als we de bekende objecten in het zonnestelsel op volgorde zetten, vallen vier binnenste, rotsachtige werelden en vier,… buitenste, reusachtige werelden op. Maar elk object dat om de zon draait draait spiraalsgewijs weg van het massieve centrum van ons zonnestelsel, omdat het zijn brandstof opbrandt en massa verliest. Hoewel we deze migratie niet direct hebben waargenomen, zijn de voorspellingen van de natuurkunde uiterst duidelijk.
NASA’s The Space Place
Het massaverlies van de zon, door het verbranden van haar nucleaire brandstof, zorgt ervoor dat elke massa die in ons zonnestelsel ronddraait, langzaam naar buiten spiraliseert naarmate de tijd verstrijkt. Zo’n 4,5 miljard jaar geleden stond onze planeet zo’n 50.000 kilometer dichter bij de Zon dan nu, en zal steeds verder weg komen te staan naarmate de Zon zich verder ontwikkelt.
Met elke omloopbaan die voorbijgaat, raken de planeten steeds minder strak aan onze Zon gekluisterd. De snelheid waarmee de zon door haar brandstof heen brandt, neemt toe, waardoor alle planeten sneller naar buiten draaien. Hoewel dit de huidige planeten nooit zal ontkoppelen, is de langzame, gestage, buitenwaartse migratie van elke wereld onvermijdelijk.
We zijn dit jaar dichter bij de zon dan we ooit weer zullen zijn. Dit geldt ook voor elke planeet rond elke gevestigde ster in het heelal, wat ons nog een reden geeft om alles wat we vandaag hebben te waarderen.