3 stycznia 2019 roku Ziemia osiągnęła punkt na swojej orbicie, w którym znajduje się najbliżej Słońca: peryhelium. Każdy obiekt krążący wokół pojedynczej masy (jak nasze Słońce) tworzy elipsę, zawierającą punkt najbliższego zbliżenia, który jest unikalny dla tej konkretnej orbity, znany jako peryhelium. Przez ostatnie 4,5 miliarda lat Ziemia krążyła wokół Słońca w elipsie, tak jak wszystkie inne planety krążące wokół swoich gwiazd we wszystkich innych dojrzałych układach słonecznych w całej galaktyce i we Wszechświecie.

Jest jednak coś, czego możesz się nie spodziewać lub nie doceniać, a co jednak ma miejsce: Ścieżka orbitalna Ziemi nie pozostaje taka sama w czasie, ale spiralnie wychodzi na zewnątrz. W tym roku, 2019, nasz peryhelium był o 1,5 centymetra dalej niż w zeszłym roku, który był bardziej odległy niż rok wcześniej, itd. To nie jest tylko Ziemia, albo; każda planeta dryfuje z dala od swojej gwiazdy macierzystej. Oto nauka o tym, dlaczego tak się dzieje.

Siła odpowiedzialna za orbity każdej planety wokół każdego układu słonecznego we Wszechświecie jest taka sama: uniwersalne prawo grawitacji. Czy patrzysz na to w kategoriach Newtona, gdzie każda masa przyciąga każdą inną masę we Wszechświecie, czy w kategoriach Einsteina, gdzie masa i energia zakrzywiają strukturę czasoprzestrzeni, przez którą przemieszczają się inne masy, największa masa dominuje na orbitach wszystkiego, na co ma wpływ.

Gdyby masa centralna była niezmienna i była jedynym czynnikiem w grze, siła grawitacji pozostałaby stała w czasie. Każda orbita trwałaby w doskonałej, zamkniętej elipsie na zawsze i nigdy by się nie zmieniła.

Oczywiście, to nie jest to, co się dzieje. W każdym układzie słonecznym obecne są inne masy: planety, księżyce, planetoidy, centaury, obiekty pasa Kuipera, satelity i inne. Masy te służą do perturbacji orbit, powodując ich precesję. Oznacza to, że punkt najbliższego podejścia – periapsis w ogóle lub perihelion dla orbity w odniesieniu do naszego Słońca – obraca się w czasie.

Mechanika orbitalna, w różny sposób, wpływa na precesję równonocy. Ziemia, na przykład, miała swój peryhelium i przesilenie grudniowe wyrównane zaledwie 800 lat temu, ale powoli oddalają się one od siebie. Z okresem 21 000 lat, nasz peryhelium precesji w taki sposób, że zmienia nie tylko punkt najbliższego podejścia w naszej orbicie, ale położenie naszych gwiazd biegunowych.

Istnieją inne czynniki, które zmieniają naszą orbitę, jak również, w tym:

• dodatkowe zakrzywienie czasoprzestrzeni wynikające z Ogólnej Względności, które powoduje, że planety w pobliżu dużej masy ulegają dodatkowej precesji,
• obecność cząstek materii w płaszczyźnie Układu Słonecznego, co powoduje opór na planetach i tworzy zjawisko wdechu,
• oraz tworzenie fal grawitacyjnych, co dzieje się, gdy jakakolwiek masa (jak planeta) przechodzi przez region, w którym zmienia się zakrzywienie czasoprzestrzeni (np. w pobliżu gwiazdy), również powodując wdech.

Te dwa ostatnie efekty, jednakże, są ważne tylko w ekstremalnych warunkach, takich jak bardzo blisko dużej, zwartej masy, lub we wczesnych etapach formowania Układu Słonecznego, kiedy dyski protoplanetarne są obecne i wciąż masywne.

Dzisiaj Ziemia (i wszystkie planety) znajdują się tak daleko od Słońca i są otoczone tak skąpą ilością materii, że skala czasowa wdechu jest biliony do kwadrylionów razy dłuższa niż obecny wiek Wszechświata. Ponieważ dysk protoplanetarny wyparował całkowicie około 4,5 miliarda lat temu, nie pozostało prawie nic, co mogłoby rozproszyć nasz moment pędu. Największym efektem przyczyniającym się do naszego wdechu jest emisja wiatru słonecznego, tj. cząstek ze Słońca, które uderzają w naszą planetę i przyklejają się do niej, powodując utratę odrobiny momentu pędu.

Ogólnie rzecz biorąc, Ziemia nie jest nawet w spirali w kierunku Słońca; jest w spirali na zewnątrz, z dala od niego. Podobnie jest z wszystkimi planetami Układu Słonecznego. Z każdym mijającym rokiem znajdujemy się nieznacznie – 1,5 centymetra, czyli 0,000000001% odległości Ziemia-Słońce – dalej od Słońca niż rok wcześniej.

Powodem tego jest samo Słońce.

Głęboko wewnątrz Słońca zachodzi proces fuzji jądrowej. W każdej sekundzie Słońce emituje około 3,846 × 1026 dżuli energii, które są uwalniane w wyniku zamiany masy na energię w jądrze. Einsteinowskie E = mc2 jest pierwotną przyczyną, fuzja jądrowa jest procesem, a ciągła emisja energii ze Słońca jest wynikiem. Ta energia jest podstawowym procesem, który zasila praktycznie każdy biologicznie interesujący proces zachodzący na Ziemi.

Ale to, co jest niedoceniane, to fakt, że z czasem przemiana materii w energię powoduje, że Słońce traci znaczną ilość masy. W ciągu 4,5 miliarda lat historii Układu Słonecznego, nasze Słońce, w wyniku procesu fuzji jądrowej, straciło około 0,03% swojej pierwotnej masy: porównywalnej do masy Saturna.

W skali roku, Słońce traci około 4,7 miliona ton materii, co zmniejsza grawitacyjne przyciąganie każdego obiektu w naszym Układzie Słonecznym. To właśnie to przyciąganie grawitacyjne powoduje, że nasze orbity zachowują się tak, jak wiemy, że się zachowują.

Gdyby przyciąganie pozostało niezmienione, istniałaby bardzo, bardzo powolna spirala do wewnątrz z powodu efektów tarcia, zderzeń i promieniowania grawitacyjnego. Ale przy zmianach, których faktycznie doświadczamy, Ziemia, podobnie jak wszystkie planety, jest zmuszona do powolnego dryfowania i spiralowania na zewnątrz od Słońca. Chociaż efekt jest niewielki, zmiana ta, wynosząca 1,5 centymetra rocznie, jest łatwa do obliczenia i jednoznaczna.

To, czego nie byliśmy w stanie zrobić, to zmierzyć tę zmianę w odległości bezpośrednio, jednak. Wiemy, że musi nastąpić; wiemy, jaka musi być jej wielkość; wiemy, że oddalamy się spiralnie od Słońca; wiemy, że dzieje się to ze wszystkimi planetami.

Ale to, co chcielibyśmy zrobić, to zmierzyć to bezpośrednio, jako kolejny test praw fizyki, jakie znamy. Tak właśnie postępuje fizyka:

• poprzez przewidywanie tego, co spodziewamy się zaobserwować na podstawie całej zgromadzonej przez nas wiedzy i naszych najlepszych teorii,
• poprzez przeprowadzenie eksperymentu/przeprowadzenie obserwacji, która mierzy wyniki takiego testu z wymaganą dokładnością,
• i porównanie tego, co widzimy z tym, czego się spodziewamy.

Kiedy wszystko się zgadza, nasze teorie zostają potwierdzone; kiedy się nie zgadza, jest to wskazówka, że możemy być na progu rewolucji naukowej.

W przypadku Układu Słonecznego byłoby szokiem, gdyby Ziemia i wszystkie planety nie oddalały się spiralnie od Słońca. Historia, dlaczego musimy oddalać się od Słońca jest tak prosta i przekonująca, że nie sposób jej zignorować.

Słońce emituje energię, którą obserwujemy, co pozwala nam obliczyć tempo utraty masy za pomocą Einsteinowskiego E = mc2.

Masa Słońca, wraz z parametrami orbitalnymi naszych planet, określa ścieżkę i kształt tego, jak krążą one wokół Słońca.

Jeśli zmienimy tę masę, orbity zmienią się o łatwą do obliczenia ilość, nawet używając prostej fizyki newtonowskiej.

A kiedy wykonamy te obliczenia, stwierdzimy, że Ziemia oddala się od Słońca z prędkością ~1.5 centymetrów na rok.

Utrata masy przez Słońce, poprzez spalanie jego paliwa jądrowego, zapewnia, że każda masa orbitująca w naszym Układzie Słonecznym powoli spiralnie oddala się na zewnątrz w miarę upływu czasu. Jakieś 4,5 miliarda lat temu, nasza planeta była około 50 000 kilometrów bliżej Słońca niż obecnie i będzie się oddalać coraz szybciej, gdy Słońce będzie ewoluować.

Z każdą orbitą, która przemija, planety stają się stopniowo mniej ściśle związane z naszym Słońcem. Tempo, w jakim Słońce spala swoje paliwo, wzrasta, przyspieszając tempo, w jakim wszystkie planety wirują na zewnątrz. Podczas gdy to nigdy nie powinno rozłączyć żadnej z planet, które mamy dzisiaj, powolna, stała, zewnętrzna migracja każdego świata jest nieunikniona.

Jesteśmy bliżej Słońca, w tym roku, niż kiedykolwiek będziemy. Dotyczy to każdej planety wokół każdej ustalonej gwiazdy we Wszechświecie, co daje nam jeszcze jeden powód, aby docenić wszystko, co mamy dzisiaj.

.