A Terra Está à deriva do Sol, E Assim São Todos os Planetas
A Terra, movendo-se na sua órbita em torno do Sol e girando no seu eixo, parece fazer uma órbita fechada,… imutável, elíptica. Se olharmos para uma alta precisão, no entanto, vamos descobrir que o nosso planeta está realmente a afastar-se em espiral do Sol.
Larry McNish, RASC Calgary
No dia 3 de Janeiro de 2019, a Terra atingiu o ponto na sua órbita onde está na sua aproximação mais próxima ao Sol: o periélio. Cada objeto orbitando uma única massa (como o nosso Sol) faz uma elipse, contendo um ponto de aproximação mais próximo que é único a essa órbita em particular, conhecido como periapsis. Nos últimos 4,5 bilhões de anos, a Terra orbitou o Sol em uma elipse, assim como todos os outros planetas orbitando suas estrelas em todos os outros sistemas solares maduros em toda a galáxia e Universo.
Mas há algo que você pode não esperar ou apreciar que, no entanto, ocorre: O caminho orbital da Terra não permanece o mesmo ao longo do tempo, mas espirala-se para fora. Este ano, 2019, nosso periélio estava 1,5 centímetros mais distante do que estava no ano passado, que estava mais distante do que no ano anterior, etc. Também não é só a Terra; cada planeta se afasta da sua estrela mãe. Aqui está a ciência do porquê.
Um modelo preciso de como os planetas orbitam o Sol, que depois se move através da galáxia numa… direcção de movimento diferente. Note que os planetas estão todos no mesmo plano, e não estão se arrastando atrás do Sol ou formando uma esteira de qualquer tipo. As suas órbitas são elipses que parecem permanecer constantes ao longo do tempo, mas se pudéssemos medi-las com precisão suficiente, veríamos ligeiras partidas de órbitas fechadas e imutáveis.
Rhys Taylor
A força responsável pelas órbitas de cada planeta em torno de cada sistema solar no Universo é a mesma: a lei universal da gravitação. Quer se olhe para ela em termos de Newton, onde cada massa atrai cada outra massa no Universo, ou em termos de Einstein, onde a massa e a energia curva o tecido do espaço-tempo através do qual outras massas viajam, a maior massa domina a órbita de tudo o que ela influencia.
Se a massa central fosse imutável, e fosse o único factor em jogo, a força da gravidade permaneceria constante ao longo do tempo. Cada órbita continuaria numa elipse perfeita e fechada para sempre, e nunca mudaria.
Na teoria da gravidade de Newton, as órbitas fazem elipses perfeitas quando ocorrem em torno de massas únicas, grandes… No entanto, na Relatividade Geral, há um efeito adicional de precessão devido à curvatura do tempo espacial, e isto faz com que a órbita se desloque ao longo do tempo, de uma forma por vezes mensurável. Os precessos de mercúrio a uma taxa de 43″ (onde 1″ é 1/3600º de um grau) por século; o buraco negro menor no JO 287 precessos a uma taxa de 39 graus por órbita de 12 anos.
NCSA, UCLA / Keck, grupo A. Ghez; Visualização: S. Levy e R. Patterson / UIUC
Of curso, não é o que acontece. Há outras massas presentes em cada sistema solar: planetas, luas, asteróides, centauros, objetos da cintura de Kuiper, satélites e muito mais. Estas massas servem para perturbar as órbitas, fazendo com que elas se precessem. Isto significa que o ponto de aproximação mais próximo – periapsia em geral ou periélio para uma órbita em relação ao nosso Sol – gira com o tempo.
Mecânica da órbita, numa variedade de modas, afecta a precessão dos equinócios. A Terra, por exemplo, teve seu periélio e o solstício de dezembro alinhados há apenas 800 anos, mas eles estão lentamente se afastando. Com um período de 21.000 anos, o nosso periélio precisa de tal forma que altera não só o ponto de aproximação mais próximo na nossa órbita, mas também a localização das estrelas dos nossos polos.
Já há 800 anos, o periélio e o solstício de inverno alinhados. Devido à precessão da órbita da Terra… eles estão lentamente se afastando, completando um ciclo completo a cada 21.000 anos.
Greg Benson no Wikimedia Commons
Há outros factores que também alteram a nossa órbita, incluindo:
- a curvatura adicional do tempo espacial devido à Relatividade Geral, que faz com que os planetas próximos a uma grande massa sofram uma precessão adicional,
- a presença de partículas de matéria no plano do Sistema Solar, que causa arrastamento nos planetas e cria um fenómeno inspirador,
- e a criação de ondas gravitacionais, que é o que acontece quando qualquer massa (como um planeta) passa por uma região onde a curvatura espaço-tempo está a mudar (como perto de uma estrela), causando também um fenómeno inspirador.
Estes dois últimos efeitos, no entanto, só são importantes em condições extremas, tais como muito perto de uma massa grande e compacta, ou nos estágios iniciais da formação de um sistema solar, quando os discos protoplanetários estão presentes e ainda maciços.
O protostar IM Lup tem um disco protoplanetário ao seu redor que exibe não só anéis, mas também uma espiral… característica em direção ao centro. Há provavelmente um planeta muito maciço causando estas características em espiral, mas isso ainda não foi definitivamente confirmado. Nos estágios iniciais da formação de um sistema solar, estes discos protoplanetários causam fricção dinâmica, fazendo com que os planetas jovens espirem para dentro em vez de elipses perfeitas e fechadas.
S. M. Andrews et al. e a colaboração DSHARP, arXiv:1812.04040
Hoje, a Terra (e todos os planetas) estão tão longe do Sol e rodeados por uma quantidade tão escassa de matéria que uma escala de tempo inspiral é triliões de vezes mais longa do que a idade actual do Universo. Desde que o disco protoplanetário se evaporou completamente há cerca de 4,5 bilhões de anos, não resta quase nada para dissipar o nosso impulso angular. O maior efeito que contribui para a nossa inspiração é a emissão do vento solar, ou seja, partículas do Sol, que batem no nosso planeta e se colam, fazendo-nos perder um pouco do momento angular.
Overtodo, a Terra nem sequer está a entrar em espiral em direcção ao Sol; está a entrar em espiral para fora, para longe dele. Assim são todos os planetas do Sistema Solar. Com cada ano que passa, nos encontramos apenas ligeiramente – 1,5 centímetros, ou 0,00000000001% da distância Terra-Sol – mais longe do Sol do que no ano anterior.
A razão pela qual é devido ao próprio Sol.
Este cutaway mostra as várias regiões da superfície e interior do Sol, incluindo o… núcleo, que é onde a fusão nuclear ocorre. Com o passar do tempo, a região contendo hélio no núcleo se expande e a temperatura máxima aumenta, fazendo com que a saída de energia do Sol aumente.
Wikimedia Commons user Kelvinsong
Deep dentro do Sol, o processo de fusão nuclear ocorre. A cada segundo, o Sol emite cerca de 3,846 × 1026 joules de energia, que são libertados através da conversão da massa em energia no núcleo. O E = mc2 de Einstein é a causa raiz, a fusão nuclear é o processo e a emissão contínua de energia do Sol é o resultado. Esta energia é o processo subjacente que alimenta praticamente todos os processos biologicamente interessantes que ocorrem na Terra.
Mas o que é subvalorizado é que, com o tempo, a conversão de matéria em energia faz com que o Sol perca uma quantidade considerável de massa. Ao longo dos 4,5 bilhões de anos de história do Sistema Solar, nosso Sol, devido ao processo de fusão nuclear, perdeu aproximadamente 0,03% de sua massa original: comparável à massa de Saturno.
Os planetas do Sistema Solar, mostrados à escala de seus tamanhos físicos, todos orbitam de acordo… com certas regras específicas. Como o Sol perde massa ao queimar através do seu combustível nuclear, as regras permanecem constantes, mas as órbitas em si mudam. Ao longo da história do Sistema Solar, o nosso Sol perdeu 0,03% da sua massa original: aproximadamente a massa de Saturno.
NASA
Numa base anual, o Sol perde cerca de 4,7 milhões de toneladas de matéria, o que diminui a atracção gravitacional sobre cada objecto do nosso Sistema Solar. É essa atração gravitacional que faz com que nossas órbitas se comportem como as conhecemos.
Se a atração tivesse permanecido inalterada, haveria uma espiral interna muito, muito lenta devido aos efeitos de atrito, colisões e radiação gravitacional. Mas com as mudanças que realmente experimentamos, a Terra, como todos os planetas, é obrigada a se afastar lentamente e espiralar para fora do Sol. Embora o efeito seja pequeno, esta mudança de 1,5 centímetros por ano é facilmente calculável e é inequívoca.
O rover Lunokhod-2, lançado pela União Soviética e mostrado aqui desde 1973, contém um refletor de canto… (instrumento número 6), que é usado para fazer ricochetear a luz laser originária da Terra para determinar a distância até a Lua. A precisão ao nível do centímetro é obtida para a distância Terra-Lua usando esta técnica, mas não existe tal técnica disponível para medir a distância ao Sol com tal precisão.
Sovfoto/UIG via Getty Images
O que não temos sido capazes de fazer é medir essa mudança na distância directamente, no entanto. Sabemos que deve ocorrer; sabemos qual deve ser sua magnitude; sabemos que estamos nos afastando do Sol em espiral; sabemos que isso está acontecendo com todos os planetas.
Mas o que gostaríamos de fazer é medi-lo, diretamente, como mais um teste das leis da física como as conhecemos. É assim que a física avança:
- ao prever o que esperamos observar com base em todo o conhecimento que acumulámos e nas nossas melhores teorias,
- ao executar uma experiência/tomar uma observação que meça os resultados de tal teste com a precisão necessária,
- e para comparar o que vemos com o que esperamos.
Quando as coisas se alinham, as nossas teorias são confirmadas; quando não o são, é uma indicação de que podemos estar na cúspide de uma revolução científica.
Observações usando o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) revelaram uma… estrutura espiral inesperada no material em torno da velha estrela R Sculptoris. Esta característica nunca foi vista antes e é provavelmente causada por uma estrela companheira oculta orbitando a estrela, um dos muitos resultados científicos inesperados a emergir da ALMA. Em geral, resultados inesperados podem ser presságios de novos sistemas físicos ou físicos, e são frequentemente os resultados mais interessantes que a natureza tem a oferecer.
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Maercker et al.
No caso do Sistema Solar, porém, seria um choque se a Terra e todos os planetas não estivessem se afastando em espiral do Sol. A história do porquê de estarmos a afastar-nos em espiral do Sol é tão simples e convincente que é impossível ignorar.
O Sol produz energia, que observamos, o que nos permite calcular a taxa de perda de massa via E = mc2.
A massa do Sol, juntamente com os parâmetros orbitais dos nossos planetas, determina o caminho e a forma de como giram em torno do Sol.
Se alterarmos essa massa, as órbitas mudam numa quantidade facilmente calculável, mesmo usando física Newtoniana simples.
E quando fazemos esses cálculos, descobrimos que a Terra migra para longe do Sol a ~1.5 centímetros por ano.
Quando colocamos os objetos conhecidos no Sistema Solar em ordem, quatro mundos interiores, rochosos e quatro,… mundos exteriores, gigantescos se destacam. No entanto, cada objecto que orbita o Sol está a afastar-se em espiral do centro maciço do nosso Sistema Solar enquanto queima através do seu combustível e perde massa. Embora não tenhamos observado directamente esta migração, as previsões da física são extremamente claras.
O Lugar Espacial da NASA
A perda de massa do Sol, ao queimar o seu combustível nuclear, assegura que cada massa que orbita o nosso Sistema Solar está lentamente a espiralar para fora à medida que o tempo avança. Há cerca de 4,5 bilhões de anos, nosso planeta estava cerca de 50.000 quilômetros mais próximo do Sol do que está hoje, e crescerá mais rapidamente à medida que o Sol continuar a evoluir.
Com cada órbita que passa, os planetas tornam-se progressivamente menos apertados ao nosso Sol. O ritmo a que o Sol queima através do seu combustível está a aumentar, acelerando o ritmo a que todos os planetas se espiralam para o exterior. Embora isto nunca deva desatar nenhum dos planetas que temos hoje, a migração lenta, constante e para fora de cada mundo é inevitável.
Estamos mais perto do Sol, este ano, do que alguma vez voltaremos a estar. Isto também é verdade para cada planeta em torno de cada estrela estabelecida no Universo, dando-nos mais uma razão para apreciarmos tudo o que temos hoje.