• Começa Com Um Estrondo

A Terra está se afastando do Sol, assim como todos os planetas

A Terra, movendo-se em sua órbita ao redor do Sol e girando em seu eixo, parece fazer uma órbita elíptica fechada, imutável. Se olharmos com uma precisão alta o suficiente, no entanto, descobriremos que nosso planeta está realmente se afastando do Sol. (LARRY MCNISH, RASC CALGARY)

A razão é simples e deve se aplicar a todos os sistemas solares como o nosso.

Em 3 de janeiro de 2019, a Terra atingiu o ponto em sua órbita em que está mais próxima do Sol: o periélio. Cada objeto que orbita uma única massa (como o nosso Sol) faz uma elipse, contendo um ponto de maior aproximação que é exclusivo dessa 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 no 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 para fora. Este ano, 2019, nosso periélio estava 1,5 centímetro mais distante do que no ano passado, que estava mais distante do que no ano anterior, etc. Também não é apenas a Terra; cada planeta se afasta de sua estrela-mãe. Aqui está a ciência do porquê.

Um modelo preciso de como os planetas orbitam o Sol, que então se move pela galáxia em uma direção de movimento diferente. Observe que os planetas estão todos no mesmo plano e não estão se arrastando atrás do Sol ou formando um rastro de qualquer tipo. Suas órbitas são elipses que parecem permanecer constantes ao longo do tempo, mas se pudéssemos medi-las com precisão suficiente, veríamos pequenos desvios 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 você olhe em termos de Newton, onde cada massa atrai todas as outras massas no Universo, ou em termos de Einstein, onde massa e energia curvam o tecido do espaço-tempo através do qual outras massas viajam, a maior massa domina a órbita de tudo o que influencia.

Se a massa central fosse imutável e fosse o único fator em jogo, a força da gravidade permaneceria constante ao longo do tempo. Cada órbita continuaria em uma 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 grandes massas únicas. No entanto, na Relatividade Geral, há um efeito de precessão adicional devido à curvatura do espaço-tempo, e isso faz com que a órbita se desloque ao longo do tempo, de uma forma que às vezes é mensurável. Mercúrio sofre precessão a uma taxa de 43″ (onde 1″ é 1/3600 de um grau) por século; o buraco negro menor em OJ 287 precessa a uma taxa de 39 graus por órbita de 12 anos. (NCSA, UCLA / KECK, A. GHEZ GROUP; VISUALIZAÇÃO: S. LEVY E R. PATTERSON / UIUC)

Claro, não é isso que acontece. Existem outras massas presentes em cada sistema solar: planetas, luas, asteróides, centauros, objetos do cinturão de Kuiper, satélites e muito mais. Essas massas servem para perturbar as órbitas, fazendo com que elas precessem. Isso significa que o ponto de maior aproximação – periapsis em geral ou periélio para uma órbita em relação ao nosso Sol – gira ao longo do tempo.

A mecânica orbital, de várias maneiras, afeta a precessão dos equinócios. A Terra, por exemplo, teve seu periélio e o solstício de dezembro alinhados há apenas 800 anos, mas eles estão se afastando lentamente. Com um período de 21.000 anos, nosso periélio sofre precessão de tal forma que altera não apenas o ponto de maior aproximação em nossa órbita, mas a localização de nossas estrelas polares.

Apenas 800 anos atrás, o periélio e o solstício de inverno se alinharam. Devido à precessão da órbita da Terra, eles estão se afastando lentamente, completando um ciclo completo a cada 21.000 anos. (GREG BENSON NO WIKIMEDIA COMMONS)

Existem outros fatores que também alteram nossa órbita, incluindo:

• a curvatura adicional do espaço-tempo devido à Relatividade Geral, que faz com que planetas próximos a uma grande massa sofram precessão adicional,
• a presença de partículas de matéria no plano do sistema solar, o que faz com que o arrasto sobre os planetas e cria um fenómeno inspiraling,
• e a criação de ondas gravitacionais, que é o que acontece quando qualquer massa (como um planeta) passa por uma região onde a curvatura do espaço-tempo está mudando (como perto de uma estrela), causando também uma inspiração.

Esses dois últimos efeitos, no entanto, são importantes apenas em condições extremas, como muito próximo de uma massa grande e compacta, ou nos estágios iniciais da formação de um sistema solar, quando os discos protoplanetários estão presentes e ainda massivos.

A protoestrela IM Lup tem um disco protoplanetário ao seu redor que exibe não apenas anéis, mas uma característica espiral em direção ao centro. Provavelmente existe um planeta muito massivo causando essas características espirais, mas isso ainda não foi confirmado definitivamente. Nos estágios iniciais da formação de um sistema solar, esses discos protoplanetários causam atrito dinâmico, fazendo com que planetas jovens espiralem para dentro em vez de completar 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 cercados por uma quantidade tão esparsa de matéria que uma escala de tempo inspiradora é de trilhões a quatro trilhões de vezes maior do que a idade atual do Universo. Desde que o disco protoplanetário evaporou completamente cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, não resta quase nada para dissipar nosso momento angular. O maior efeito que contribui para nossa inspiração é a emissão do vento solar, ou seja, partículas do Sol, que batem em nosso planeta e grudam, fazendo com que percamos um pouco do momento angular.

No geral, a Terra nem está em espiral em direção ao Sol; está espiralando para fora, para longe dele. Assim são todos os planetas do Sistema Solar. A cada ano que passa, nos encontramos apenas ligeiramente – 1,5 centímetros, ou 0,00000000001% da distância Terra-Sol – mais distantes do Sol do que no ano anterior.

A razão é devido ao próprio Sol.

Este corte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, que é onde ocorre a fusão nuclear. Com o passar do tempo, a região que contém hélio no núcleo se expande e a temperatura máxima aumenta, fazendo com que a produção de energia do Sol aumente. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KELVINSONG)

Nas profundezas do Sol, ocorre o processo de fusão nuclear. A cada segundo, o Sol emite cerca de 3,846 × 10²⁶ joules de energia, que são liberados através da conversão de massa em energia no núcleo. de Einstein E = mc² é a causa raiz, a fusão nuclear é o processo e a emissão contínua de energia do Sol é o resultado. Essa energia é o processo subjacente que alimenta praticamente todos os processos biologicamente interessantes que ocorrem na Terra.

Mas o que é subestimado 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 na escala de seus tamanhos físicos, orbitam todos de acordo com certas regras específicas. À medida que o Sol perde massa à medida que queima seu combustível nuclear, as regras permanecem constantes, mas as próprias órbitas mudam. Ao longo da história do Sistema Solar, nosso Sol perdeu 0,03% de sua massa original: aproximadamente a massa de Saturno. (NASA)

Ano a ano, o Sol perde cerca de 4,7 milhões de toneladas de matéria, o que diminui a atração gravitacional de todos os objetos do nosso Sistema Solar. É essa atração gravitacional que faz com que nossas órbitas se comportem como sabemos que elas se comportam.

Se a atração tivesse permanecido inalterada, haveria uma espiral interna muito, muito lenta devido aos efeitos do atrito, colisões e radiação gravitacional. Mas com as mudanças que realmente experimentamos, a Terra, como todos os planetas, é compelida a se afastar lentamente e espiralar para fora do Sol. Embora o efeito seja pequeno, essa variação de 1,5 centímetros por ano é facilmente calculável e inequívoca.

O rover Lunokhod-2, lançado pela União Soviética e mostrado aqui a partir de 1973, contém um refletor de canto (instrumento número 6), que é usado para refletir a luz laser originária da Terra para determinar a distância até a Lua. A precisão no 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 tanta precisão. (SOVFOTO/UIG VIA GETTY IMAGES)

O que não conseguimos fazer é medir essa mudança na distância diretamente, no entanto. Sabemos que deve ocorrer; sabemos qual deve ser sua magnitude; sabemos que estamos em espiral para longe do Sol; sabemos que isso está acontecendo com todos os planetas.

Mas o que adoraríamos 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 acumulamos e nossas melhores teorias,
• executando um experimento/fazendo uma observação que mede os resultados de tal teste com a precisão necessária,
• e comparar o que vemos com o que esperamos.

Quando as coisas se alinham, nossas teorias são confirmadas; quando não o fazem, é uma indicação de que podemos estar à beira de uma revolução científica.

Observações usando o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) revelaram uma estrutura espiral inesperada no material ao redor da antiga estrela R Sculptoris. Esta característica nunca foi vista antes e é provavelmente causada por uma estrela companheira oculta que orbita a estrela, um dos muitos resultados científicos inesperados que surgiram do ALMA. Em geral, resultados inesperados podem ser precursores de novas físicas ou sistemas físicos, e geralmente são 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 em espiral para longe do Sol. A história de por que devemos estar em espiral para longe do Sol é tão simples e convincente que é impossível ignorar.

O Sol emite energia, que observamos, o que nos permite calcular a taxa de perda de massa via Einstein E = mc² .

A massa do Sol, juntamente com os parâmetros orbitais de nossos planetas, determina o caminho e a forma de como eles giram em torno do Sol.

Se mudarmos essa massa, as órbitas mudam em uma quantidade facilmente calculável, mesmo usando a física newtoniana direta.

E quando fazemos esses cálculos, descobrimos que a Terra migra para longe do Sol a cerca de 1,5 centímetros por ano.

Quando colocamos os objetos conhecidos no Sistema Solar em ordem, destacam-se quatro mundos internos rochosos e quatro mundos externos gigantes. No entanto, todos os objetos que orbitam o Sol estão se afastando do centro maciço do nosso Sistema Solar enquanto queimam seu combustível e perdem massa. Embora não tenhamos observado diretamente essa migração, as previsões da física são extremamente claras. (NASA É O LUGAR ESPACIAL)

A perda de massa do Sol, ao queimar seu combustível nuclear, garante que cada massa orbitando em nosso Sistema Solar esteja lentamente em espiral com o passar do tempo. Cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, nosso planeta estava cerca de 50.000 quilômetros mais perto do Sol do que está hoje, e se distanciará mais rapidamente à medida que o Sol continuar a evoluir.

A cada órbita que passa, os planetas tornam-se progressivamente menos ligados ao nosso Sol. A taxa na qual o Sol queima seu combustível está aumentando, acelerando a taxa na qual todos os planetas espiralam para fora. Embora isso nunca deva desvincular nenhum dos planetas que temos hoje, a migração lenta, constante e externa de todos os mundos é inevitável.

Estamos mais perto do Sol, este ano, do que jamais estaremos novamente. Isso também é verdade para todos os planetas ao redor de todas as estrelas estabelecidas no Universo, dando-nos mais uma razão para apreciar tudo o que temos hoje.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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