Зямля, рухаючыся па арбіце вакол Сонца і круцячыся па восі, здаецца, робіць зачыненую, нязменную эліптычную арбіту. Калі мы паглядзім на дастатковую дакладнасць, мы выявім, што наша планета сапраўды спіраль ад Сонца. (LARRY MCNISH, RASC CALGARY)

Зямля аддаляецца ад Сонца, і гэтак жа ўсе планеты

Прычына простая і павінна распаўсюджвацца на любую сонечную сістэму, як нашую ўласную.

3 студзеня 2019 года Зямля дасягнула кропкі на арбіце, дзе знаходзіцца пры самым блізкім набліжэнні да Сонца: перыгелій. Кожны аб'ект, які круціцца вакол адной масы (як і наша Сонца), стварае эліпс, які змяшчае кропку найбліжэйшага падыходу, характэрную для гэтай канкрэтнай арбіты, вядомай як перыапсіс. За апошнія 4,5 мільярда гадоў Зямля круціла вакол Сонца ў эліпсе, як і ўсе астатнія планеты, якія круцілі вакол сваіх зорак ва ўсіх іншых сталых сонечных сістэмах па ўсёй Галактыцы і Сусвету.

Але ёсць тое, чаго вы не можаце чакаць і не шанаваць, што ўсё ж такі адбываецца: арбітальны шлях Зямлі з цягам часу не застаецца ранейшым, але спіралью вонкі. У гэтым годзе ў 2019 годзе наш перыгелій быў на 1,5 сантыметры далей, чым у мінулым годзе, які быў больш аддалены, чым пазалетась, і г.д. Гэта таксама не толькі Зямля; кожная планета аддаляецца ад бацькоўскай зоркі. Вось навука, чаму.

Дакладная мадэль таго, як планеты круцяцца на Сонцы, якое затым рухаецца па Галактыцы ў іншым кірунку руху. Звярніце ўвагу, што ўсе планеты знаходзяцца ў адной плоскасці і не цягнуцца за Сонцам і не ўтвараюць ніякага тыпу. Іх арбіты ўяўляюць сабой эліпсы, якія, здаецца, застаюцца пастаяннымі з цягам часу, але калі б мы змаглі іх вымераць дастаткова дакладна, мы б заўважылі невялікія адступленні ад закрытых, нязменных арбіт. (RHYS TAYLOR)

Сіла, якая адказвае за арбіты кожнай планеты вакол кожнай Сонечнай сістэмы ў Сусвеце, аднолькавая: універсальны закон гравітацыі. Калі вы паглядзіце на гэта з пункту гледжання Ньютана, дзе кожная маса прыцягвае кожную іншую масу ў Сусвеце, альбо з пункту гледжання Эйнштэйна, дзе маса і энергія крывіць тканіну прасторы часу, праз якую ідуць іншыя масы, самая вялікая маса дамінуе над арбітай усяго, на што яна ўплывае.

Калі б цэнтральныя масы былі нязменнымі і былі адзіным фактарам, сіла цяжару з часам заставалася б пастаяннай. Кожная арбіта будзе працягвацца ў дасканалым, закрытым эліпсе назаўжды і ніколі не мяняецца.

У тэорыі гравітацыі Ньютана арбіты складаюць дасканалыя эліпсы, калі яны ўзнікаюць вакол адзінкавых вялікіх мас. Аднак у Агульнай адноснасці ёсць дадатковы эфект прэцэсіі з-за скрыўлення прасторы і часу, і гэта прымушае арбіту змяняцца з цягам часу такім чынам, што часам вымяраецца. Ртутныя працэсы з хуткасцю 43

Вядома, гэта не тое, што адбываецца. У кожнай сонечнай сістэме ёсць і іншыя масы: планеты, луны, астэроіды, кентаўры, аб'екты пояса Койпера, спадарожнікі і шмат іншага. Гэтыя масы служаць для абурэння арбіт, выклікаючы іх прыступ. Гэта азначае, што кропка бліжэйшага набліжэння - наогул перыапсіс альбо перыгелій для арбіты адносна нашага Сонца - круціцца з цягам часу.

Арбітальная механіка па-рознаму ўплывае на прэцэсію раўнадзенстваў. Напрыклад, Зямля мела свой перыгелій і снежаньскае сонцастаянне, выраўнаванае ўсяго 800 гадоў таму, але яны павольна рассоўваюцца. З 21000 гадоў наш перыгелій апрацоўвае такім чынам, што ён змяняе не толькі кропку найбліжэйшага набліжэння на арбіце, але і размяшчэнне нашых зорак-полюсаў.

Літаральна 800 гадоў таму перыгелій і зімовае сонцастаянне супадалі. З-за прэцэсіі арбіты Зямлі яны павольна аддаляюцца, завяршаючы поўны цыкл кожныя 21000 гадоў. (GREG BENSON НА ВІКІМЕДЫЙСКІЯ КАМУНІ)

Ёсць і іншыя фактары, якія таксама змяняюць нашу арбіту, у тым ліку:

  • дадатковае скрыўленне прасторы і часу за кошт агульнай адноснасці, што прымушае планеты побач з вялікай масай падвяргацца дадатковай прэцэсіі,
  • наяўнасць часціц матэрыі ў плоскасці Сонечнай сістэмы, што выклікае зацягванне планет і стварае натхняльнае з'ява,
  • і стварэнне гравітацыйных хваль, што адбываецца, калі любая маса (як планета) праходзіць праз вобласць, дзе крывізна прасторы часу мяняецца (напрыклад, побач з зоркай), выклікаючы таксама інспіраль.

Гэтыя апошнія два эфекты, аднак, важныя толькі ў экстрэмальных умовах, такіх як вельмі блізкая да вялікай, кампактнай масе альбо на ранніх стадыях фарміравання Сонечнай сістэмы, калі прапланетныя дыскі прысутнічаюць і да гэтага часу масіўныя.

У пратастар IM Lup вакол яго ёсць прапланетарны дыск, які паказвае не толькі кольцы, але і спіральную функцыю да цэнтра. Верагодна, вельмі масавая планета выклікае гэтыя спіральныя рысы, але гэта яшчэ не будзе канчаткова пацверджана. На ранніх стадыях фарміравання Сонечнай сістэмы гэтыя прапланетарныя дыскі выклікаюць дынамічнае трэнне, у выніку чаго маладыя планеты скручваюцца ўнутр, а не поўныя дасканалыя закрытыя эліпсы. (С. М. Эндрус і інш. І супрацоўніцтва DSHARP, ARXIV: 1812.04040)

Сёння Зямля (і ўсе планеты) настолькі далёкія ад Сонца і акружаныя такой рэдкай колькасцю матэрыі, што натхняльны часовы маштаб складае трыльёны-чатырохвугольнікі ў разы больш, чым сучасны век Сусвету. Паколькі прапланетарны дыск цалкам выпарыўся 4,5 мільярда гадоў таму, практычна нічога не засталося, каб рассеяць наш кутовы імпульс. Найбольшы эфект, які садзейнічае нашаму ўдыху, - гэта выпраменьванне сонечнага ветру, то ёсць часціц Сонца, якія трапляюць у нашу планету і прыліпаюць, у выніку чаго мы страчваем трохі вуглавую дынаміку.

У цэлым Зямля нават не скручваецца да Сонца; гэта спіраль вонкі, далей ад яе. Гэтак жа ўсе планеты Сонечнай сістэмы. З кожным годам, які праходзіць, мы апыняемся крыху - на 1,5 сантыметра, або на 0,00000000001% адлегласці Зямля-Сонца - далей ад Сонца, чым пазалетась.

Прычына таму звязана з самім Сонцам.

У гэтым разрэзе прадстаўлены розныя ўчасткі паверхні і ўнутранай часткі Сонца, у тым ліку ядра, дзе адбываецца ядзерны сінтэз. З цягам часу вобласць, якая змяшчае гелій, у ядры пашыраецца, і максімальная тэмпература павялічваецца, у выніку чаго выход энергіі Сонца ўзрастае. (WIKIMEDIA COMMONS USER KELVINSONG)

Глыбока ўнутры Сонца адбываецца працэс ядзернага сінтэзу. Кожную секунду Сонца выпраменьвае прыблізна 3.846 × 10²⁶ джоуляў энергіі, якія вызваляюцца пры пераўтварэнні масы ў ядро ​​ў энергію. Першапрычынай Эйнштэйна з'яўляецца E = mc², ядзерны зліццё - гэта працэс, і вынік пастаяннага выпраменьвання энергіі ад Сонца. Гэтая энергія - асноўны працэс, які сілкуе практычна кожны біялагічна цікавы працэс, які адбываецца на Зямлі.

Але недаацэньваецца тое, што з часам пераўтварэнне матэрыі ў энергію ня прыводзіць да страты значнай масы. За 4,5 мільярда гадоў гісторыі Сонечнай сістэмы наша Сонца, дзякуючы працэсу ядзернага сінтэзу, страціла прыблізна 0,03% ад сваёй першапачатковай масы: супастаўна з масай Сатурна.

Планеты Сонечнай сістэмы, паказаныя ў маштабе іх фізічных памераў, усе арбіты ў адпаведнасці з пэўнымі правіламі. Па меры таго, як Сонца губляе масу пры спальванні ядзернага паліва, правілы застаюцца пастаяннымі, але самі арбіты мяняюцца. За гісторыю Сонечнай сістэмы наша Сонца страціла 0,03% ад сваёй першапачатковай масы: прыблізна масы Сатурна. (НАСА)

З кожным годам Сонца губляе каля 4,7 мільёна тон рэчывы, што зніжае гравітацыйную цягу на кожны аб'ект нашай Сонечнай сістэмы. Менавіта гэта гравітацыйнае цячэнне выклікае паводзіны нашых арбіт так, як мы ведаем, як яны паводзяць сябе.

Калі цяга засталася нязменнай, унутраная спіраль з'явілася б вельмі, вельмі павольнай з-за ўздзеяння трэння, сутыкненняў і гравітацыйнага выпраменьвання. Але са зменамі, якія мы перажываем на самай справе, Зямля, як і ўсе планеты, вымушана павольна аддаляцца ад Сонца і спіраль. Хоць эфект невялікі, гэта змяненне 1,5 сантыметра ў год лёгка падлічыць і адназначна.

Ровер

Тое, што мы не змаглі зрабіць, гэта проста вымераць змену адлегласці наўпрост. Мы ведаем, што гэта павінна адбыцца; мы ведаем, якая павінна быць яго велічыня; мы ведаем, што мы спіралі ад Сонца; мы ведаем, што гэта адбываецца з усімі планетамі.

Але тое, што мы хацелі б зрабіць, гэта вымяраць гэта непасрэдна, як чарговае выпрабаванне законаў фізікі, як мы іх ведаем. Вось як фізіка прасоўваецца:

  • прадказваючы тое, што мы чакаем, каб назіраць, абапіраючыся на ўсе назапашаныя намі веды і лепшыя тэорыі,
  • правёўшы эксперымент / зрабіўшы назіранне, якое вымярае вынікі такога тэсту да неабходнай дакладнасці,
  • і параўнаць тое, што мы бачым, з тым, што чакаем.

Калі рэчы выстройваюцца, нашы тэорыі пацвярджаюцца; калі яны гэтага не робяць, гэта сведчыць пра тое, што мы можам апынуцца на кукурузе навуковай рэвалюцыі.

Назіранні з выкарыстаннем вялікага міліметра / субміліметровага масіва Atacama (ALMA) выявілі нечаканую спіральную структуру ў матэрыяле вакол старой зоркі R Sculptoris. Гэтая асаблівасць ніколі не была заўважана і, верагодна, выклікана прыхаванай зоркай, якая круцілася на зорцы, адным з многіх нечаканых навуковых вынікаў, якія вынікаюць з ALMA. Увогуле, нечаканыя вынікі могуць стаць прадвеснікамі новай фізікі і фізічных сістэм, і часта бываюць самымі цікавымі вынікамі, якія можа прапанаваць прырода. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / М. MAERCKER ET AL.)

У выпадку з Сонечнай сістэмай было б шокам, калі б Зямля і ўсе планеты не былі спіральна ад Сонца. Гісторыя, чаму мы павінны адкручвацца ад Сонца, настолькі простая і пераканаўчая, што ігнараваць яе немагчыма.

Сонца выдае энергію, якую мы назіраем, што дазваляе разлічыць хуткасць страты масы з дапамогай Эйнштэйна Е = mc².

Маса Сонца, разам з арбітальнымі параметрамі нашай планеты, вызначае шлях і форму таго, як яны круцяцца вакол Сонца.

Калі мы зменім гэтую масу, арбіты змяняюцца лёгка вылічанай колькасцю, нават выкарыстоўваючы прамую ньютонаўскую фізіку.

І калі мы робім гэтыя разлікі, мы выяўляем, што Зямля мігруе ад Сонца пры ~ 1,5 сантыметраў у год.

Калі мы размяшчаем вядомыя аб'екты ў Сонечнай сістэме ў парадку, вылучаюцца чатыры ўнутраныя, скалістыя і чатыры, знешнія, гіганцкія свету. І ўсё ж кожны аб'ект, які круціцца на Сонцы, спіральна адыходзіць ад масіўнага цэнтра нашай Сонечнай сістэмы, пакуль ён гарыць сваім палівам і губляе масу. Хоць мы і не назіралі наўпрост такой міграцыі, прагнозы фізікі надзвычай ясныя. (Мясцовае месца НАСА)

Страта масы Сонца, спальваючы ядзернае паліва, гарантуе, што кожная маса, якая круціцца ў нашай Сонечнай сістэме, паступова скручваецца вонкі з цягам часу. Каля 4,5 мільярдаў гадоў таму наша планета знаходзілася прыблізна на 50 000 кіламетраў бліжэй да Сонца, чым сёння, і будзе расці больш далёка, калі Сонца працягвае развівацца.

З кожнай арбітай, якая праходзіць, планеты становяцца паступова менш цесна звязанымі з нашым Сонцам. Хуткасць, з якой Сонца спальвае сваё паліва, павялічваецца, паскараючы хуткасць, з якой спіралі ўсе планеты звонку. Хоць гэта ніколі не павінна развязваць ні адну планету, якую мы маем сёння, павольная, роўная міграцыя кожнага свету непазбежная.

У гэтым годзе мы бліжэй да Сонца, чым калі-небудзь зноў. Гэта актуальна і для кожнай планеты вакол кожнай зоркі ў Сусвеце, што дае нам яшчэ адну прычыну шанаваць усё, што мы маем сёння.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".