• Começa Com Um Estrondo

A Terra está se afastando do Sol por enquanto, mas eventualmente colidirá com ela

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)

Existem três fatores competindo para determinar o destino da Terra, e aquele que está vencendo agora não vencerá no final.

Se você pudesse medir a distância média da Terra ao Sol ao longo de um ano inteiro, descobriria algo inquietante. A cada ano que você fazia essa medição, você descobriria que a Terra estava um pouco mais distante do Sol – cerca de 1,5 centímetros (0,6 polegadas) mais distante – do que no ano anterior. Por bilhões de anos, a Terra vem migrando para fora de sua órbita, uma tendência que deve continuar por bilhões de anos.

Mas esta é apenas uma situação temporária. Eventualmente, a Terra perderá sua energia orbital e espiralará em direção ao Sol, mesmo no caso de o Sol não engolir a Terra em sua fase de gigante vermelha. Muitos fatores entrarão em jogo no futuro distante do Sistema Solar, mas no final, o próprio Einstein terá a última palavra. Veja como a órbita da Terra evoluirá, até o amargo fim.

A impressão de um artista de HD 189733 b, um planeta sendo devorado por sua estrela-mãe. Quando o Sol começar a se tornar uma gigante vermelha, quase certamente engolirá Mercúrio e depois Vênus, mas o destino da Terra está longe de ser certo. (NASA/GSFC)

Para a maioria das pessoas, a ideia de que a Terra mudaria sua órbita ao longo do tempo é bizarra e confusa. Afinal, o movimento planetário é muito bem compreendido desde a época de Kepler, há mais de 400 anos. Sua primeira lei do movimento planetário – que os planetas se movem em órbitas elípticas com o Sol em um foco – é exatamente verdadeira na gravidade newtoniana.

Isso é ainda mais impressionante quando você considera que a própria lei da gravitação de Newton não foi derivada até mais de 60 anos depois que Kepler estabeleceu suas leis. E, no entanto, as leis de Kepler e Newton são apenas aproximadamente verdadeiras na realidade, com seis efeitos separados, todos potencialmente desempenhando o papel de spoiler para o que de outra forma seria uma solução exata e perfeitamente estável. Aqui está um resumo de cada um, juntamente com os efeitos que eles induzem.

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. Quando nosso Sol ficar sem combustível de hidrogênio no núcleo, ele se contrairá e aquecerá a um grau suficiente para que a fusão de hélio possa começar. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KELVINSONG)

1.) Fusão nuclear no Sol . A cada segundo que passa, uma quantidade significativa dos núcleos atômicos leves dentro do Sol são transformados em elementos e isótopos mais pesados ​​através do processo de fusão nuclear. Quando você funde elementos leves em elementos mais pesados, os núcleos mais pesados ​​ficam mais fortemente ligados, o que requer a emissão de energia. O produto final da fusão do Sol, o hélio-4, é na verdade 0,7% mais leve que os quatro prótons que se uniram por meio de uma reação em cadeia para produzi-lo.

Ao todo, o Sol perde um total de 4 milhões de toneladas de massa via Einstein E = mc² a cada novo segundo que passa. Essa perda de massa, por menor que seja, aumenta com o tempo. A cada ano que passa, a perda dessa massa devido à fusão nuclear faz com que a órbita da Terra ultrapasse 1,5 cm (0,6 polegadas) por ano . Ao longo de sua vida até agora, o Sol perdeu o equivalente à massa de Saturno devido à fusão nuclear.

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)

2.) A Terra se despedaça em partículas enquanto orbita o Sol . Este foi um efeito enorme nos primeiros dias do Sistema Solar: quando ainda tínhamos um disco protoplanetário de material ao redor do nosso Sol. Será um efeito enorme mais uma vez quando o Sol entrar na fase gigante vermelha de sua vida, como grandes quantidades de matéria - cerca de 33% da massa total do Sol - será ejetado daqui a 7,6 bilhões de anos .

Em ambos os casos, à medida que este material colide com a Terra, nossa órbita mudará, com as mudanças exatas dependentes da velocidade do material em relação à Terra: uma migração para dentro quando o Sistema Solar se forma e uma migração para fora no final do Sol. vida. Mas, neste momento, somos principalmente atingidos apenas por partículas de vento solar: no nível insignificante de cerca de 18.000 toneladas por ano. Isso é completamente insignificante agora, mudando a órbita da Terra em apenas cerca de um próton de largura a cada milhão de anos ou mais.

Os planetas se movem nas órbitas que fazem, de forma estável, devido à conservação do momento angular. Sem nenhuma maneira de ganhar ou perder momento angular, eles permanecem em suas órbitas elípticas arbitrariamente no futuro. No entanto, se eles exercem forças mútuas um sobre o outro e o Sol ocupa um volume finito, as forças gravitacionais e de maré exercidas podem levar a cenários evolutivos tão caóticos que um ou mais desses planetas podem eventualmente ser ejetados. (NASA/JPL)

3.) Os efeitos gravitacionais de outros objetos massivos em nosso Sistema Solar . Este pode importar, e também pode não ser. Em nosso Sistema Solar, temos muitos objetos que orbitam o Sol ou outros corpos. Todos eles têm tamanhos e massas finitos e não desprezíveis, e exercem forças gravitacionais mutuamente. Sempre que isso ocorre, há a chance de que essas órbitas se tornem caóticas e evoluam com o tempo.

De acordo com a pesquisa mais recente, há aproximadamente 1% de chance de que um ou mais dos quatro planetas internos do nosso Sistema Solar hoje – Mercúrio, Vênus, Terra e Marte – se tornem orbitalmente instáveis ​​nos próximos bilhões de anos. Se isso ocorrer, a órbita da Terra pode mudar significativamente, possivelmente até lançando nosso planeta no Sol ou ejetando-o inteiramente do Sistema Solar. Este é o componente mais imprevisível da nossa órbita planetária.

À medida que o Sol se torna uma verdadeira gigante vermelha, a própria Terra pode ser engolida ou engolida, mas definitivamente será assada como nunca antes. As camadas externas do Sol aumentarão para mais de 100 vezes seu diâmetro atual, mas os detalhes exatos de sua evolução e como essas mudanças afetarão as órbitas dos planetas ainda têm grandes incertezas. (WIKIMEDIA COMMONS/FSGREGS)

4.) O Sol incha em uma estrela gigante vermelha . Sabemos que isso está chegando e também sabemos aproximadamente como será. O núcleo interno se contrairá e aquecerá; as camadas externas se expandirão e crescerão tremendamente; a fusão de hélio acenderá no núcleo da estrela; uma grande fração da massa total acabará sendo ejetada. Mas o mais importante, especialmente para nossos propósitos, os planetas internos serão consumidos pela estrela gigante vermelha agora expandida na qual nosso Sol evolui.

Mercúrio terá desaparecido. Vênus também será engolido. E a Terra, a menos que possa espiralar para fora para mais de 15% do seu raio atual – algo com probabilidade questionável de acontecer, possivelmente exigindo uma instabilidade orbital entre agora e então – também desaparecerá. Supondo que a Terra sobreviva, no entanto, e pode, sobreviver à fase de gigante vermelha implica que a fase de espiral terminará agora.

Um gráfico da frequência com que as estrelas dentro da Via Láctea provavelmente passarão a uma certa distância do nosso Sol. Este é um gráfico log-log, com distância no eixo y e quanto tempo você normalmente precisa esperar para que tal evento aconteça no eixo x. (E. SIEGEL)

5.) Outros objetos na galáxia . De vez em quando, uma grande massa, como uma estrela, uma anã marrom ou um planeta rebelde, passa perto do nosso Sistema Solar. Embora seja extremamente improvável que tal objeto passe perto o suficiente para perturbar a órbita da Terra antes que o Sol se torne uma gigante vermelha, há muito tempo pela frente quando essa fase passar. Quando o Universo tiver cerca de 100.000 vezes sua idade atual, um encontro gravitacional próximo se torna provável.

Com Mercúrio e Vênus desaparecidos, a Terra será o planeta mais interno do nosso Sol. Quando esse encontro inevitável ocorre, é provável que uma de duas coisas aconteça. Ou a massa entrelaçada perturbará severamente a Terra, fazendo com que sua órbita se torne instável, ou o sistema Sol-Terra (com possivelmente Marte, Júpiter e potencialmente outros planetas remanescentes também) será ejetado inteiramente de nossa galáxia hospedeira. Este é um processo caótico e imprevisível, e literalmente tudo pode acontecer se esperarmos o suficiente.

Uma visão animada de como o espaço-tempo responde à medida que uma massa se move através dele ajuda a mostrar exatamente como, qualitativamente, não é apenas uma folha de tecido. Em vez disso, todo o próprio espaço 3D fica curvado pela presença e propriedades da matéria e energia dentro do Universo. Múltiplas massas em órbita umas das outras causarão a emissão de ondas gravitacionais. (LUCASVB)

6.) Radiação gravitacional . Mas se a Terra permanecer ligada ao Sol – algo muito provável de ocorrer se o remanescente do nosso Sistema Solar for ejetado da galáxia – a radiação gravitacional fará com que a Terra espirale lentamente em direção ao Sol. Sempre que duas massas orbitam uma à outra na teoria da gravidade de Einstein, a Relatividade Geral, ondas gravitacionais são emitidas.

Dadas as massas e posições atuais do Sol e da Terra, isso equivale apenas a uma mudança orbital de 1,5 attômetros por ano, o que significa que leva cerca de um milênio para a Terra inspirar pela largura de um único próton. Mas se não houver outros efeitos restantes em jogo, este se tornará o único que importará nas escalas de tempo cósmicas. Se nada mais interferir com isso, a Terra entrará em espiral em direção ao Sol depois de impressionantes 1026 anos: 10 quadrilhões de vezes a idade atual do Universo.

Quando você tem duas fontes gravitacionais (ou seja, massas) orbitando uma à outra, o movimento de cada massa através do espaço-tempo curvo causado pela outra leva à emissão de ondas gravitacionais. Como essas ondas carregam energia, todas as órbitas acabarão por decair. (NASA, ESA, E A. FEILD (STSCI))

Todos esses seis efeitos são muito reais e todos contribuem para a mudança da órbita da Terra. Cada um deles, individualmente, tem a oportunidade de ser o mais importante em diferentes épocas.

1. Nos estágios iniciais do Sistema Solar, quando os planetas e luas ainda estão se formando, colisões de planetas e planetesimais primitivos dominam como a órbita da Terra/proto-Terra muda.
2. Hoje, a perda de massa devido à fusão nuclear domina a atual espiral da Terra.
3. Se ocorrerem instabilidades gravitacionais, a influência de outros planetas pode alterar ou até mesmo arruinar a órbita da Terra antes de nos tornarmos uma gigante vermelha.
4. Durante a transformação do Sol em gigante vermelha, tudo depende se a Terra é engolida ou não; se for, esse é o fim da linha para o nosso planeta.
5. Depois que o Sol se tornar uma anã branca, ocorrerá um jogo cósmico de pinball gravitacional; ou a Terra se libertará do Sol ou todo o Sistema Solar restante, com a Terra intacta, será ejetado.
6. Mas se a Terra sobreviver por tanto tempo, continuará a ser gravitacionalmente inspiradora até que, finalmente, seja consumida pela anã negra que nossa estrela eventualmente se tornar.

Depois que o Sol se tornar uma anã negra, se nada for ejetado ou colidir com os restos da Terra, eventualmente a radiação gravitacional nos fará entrar em espiral e sermos engolidos pelos restos do nosso Sol. (IMAGEM CORTESIA DE JEFF BRYANT)

Neste momento, a Terra está se afastando lentamente do Sol, impulsionada pelo efeito implacável da fusão nuclear no Sol. Com o passar do tempo, o Sol queima cada vez mais seu combustível, perdendo massa no processo e afrouxando seu controle gravitacional sobre a Terra. Supondo que isso continue até que a fase gigante vermelha chegue, nosso planeta será consumido pelo Sol neste momento ou sobreviverá para ver o Sol se tornar uma anã branca.

Nesse ponto, a radiação gravitacional fará com que a órbita do nosso planeta decaia lentamente, após o que começará a se inspirar no Sol. A menos que um objeto desonesto passe pelo nosso Sistema Solar e ejete a Terra, essa inspiração continuará, eventualmente levando a Terra a cair no cadáver estelar do nosso Sol quando o Universo tiver cerca de dez quatrilhões de vezes sua idade atual. A Terra pode estar se afastando do Sol por enquanto, mas se permanecermos ligados à nossa estrela-mãe, a queda gravitacional continua sendo nosso destino inevitável a longo prazo.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .