source :Forbes, le 4 décembre 2020.
auteur: Ethan Siegel
traduction: GoogleTranslate/GrosseFille
Demandez à Ethan: La Terre orbite-t-elle autour du soleil plus lentement à chaque nouvelle année?
Chaque année, la planète Terre effectue une révolution autour du Soleil tout en tournant sur son axe. D’une année à l’autre, nos changements orbitaux sont si minuscules qu’ils sont pratiquement imperceptibles, car la durée d’une seule révolution (1 an) est minuscule par rapport à la durée pendant laquelle la planète a tourné autour du Soleil (~ 4,5 milliards d’années). Et pourtant, notre connaissance de l’Univers est suffisamment vaste et nos instruments modernes sont suffisamment sensibles pour que nous sachions non seulement que l’orbite de la Terre change légèrement au fil du temps, mais que nous puissions quantifier et énoncer avec confiance exactement ce que seront ces changements. Qu’est-ce que cela signifie pour la vitesse de la Terre autour du Soleil ? C’est ce que Frank Wirtz veut savoir, en nous écrivant pour demander:
« J’ai lu un de vos articles qui disait que (pour l’instant) l’orbite de la Terre s’éloigne très lentement du Soleil. Une orbite terrestre se produit-elle plus rapidement ou plus lentement ? Pourriez-vous clarifier pour moi? »
C’est une question fascinante à explorer, et la réponse éclair est oui. Chaque année, la Terre migre légèrement plus loin du Soleil et prend également un peu plus de temps pour effectuer une révolution complète. Voici la science derrière cela.
Lorsque nous pensons à la Terre en orbite autour du Soleil, nous faisons généralement quelques hypothèses simplificatrices. Nous pensons à la Terre qui tourne sur son axe et se déplace dans l’espace, la gravitation du Soleil étant la seule force qui ayant un impact. Nous considérons le Soleil et la Terre comme ayant chacun leur propre masse fixe et constante ; nous pensons à l’espace dans lequel la Terre se déplace en étant vide; nous pensons que le Soleil reste au même endroit alors que la Terre orbite dans une ellipse autour d’elle; nous négligeons les effets de la Lune, des autres planètes et les effets exclusifs à la relativité générale; etc.
En réalité, nous savons non seulement que toutes ces hypothèses sont fausses, mais nous pouvons – si nous voulons être assez précis – quantifier ces effets et déterminer lesquels sont importants, à quel point ils sont importants et quels changements ils provoquent par rapport à l’approximation la plus simpliste. Si tout ce que nous avions était la Terre et le Soleil et les traitions comme deux masses ponctuelles immuables, la Terre ferait simplement une ellipse fermée et immuable sur son orbite: exactement ce que Kepler a prédit. Mais si nous voulons être plus précis, nous devons creuser dans ces détails.
Le premier effet que nous devons considérer est le fait que le Soleil brille. Dans cet Univers, il n’y a pas d’énergie libre, et cela vaut même pour quelque chose comme le Soleil, qui émet 4 × 1026 W de puissance continue. D’où vient l’énergie pour cela? De la fusion nucléaire des noyaux d’hydrogène (en commençant par les protons) en hélium-4 (avec deux protons et deux neutrons), qui se produit dans une réaction en chaîne qui libère de l’énergie.
Chaque fois que quatre protons fusionnent ensemble, culminant dans la production d’un noyau d’hélium-4, un total de 28 MeV (où un MeV est un million d’électron-volts) d’énergie est libéré. Si nous convertissons cela en masse – ce que l’équation célèbre d’Einstein, E = mc2, nous permet de le faire – nous apprenons que le Soleil perd un total d’environ 4 millions de tonnes de masse en raison de la fusion nucléaire à chaque seconde qui passe. Au cours de la durée de vie de notre système solaire, la masse du Soleil a diminué d’environ 95 masses terrestres en raison de la fusion nucléaire, soit environ la masse de Saturne.
En plus de perdre de la masse à cause du rayonnement énergétique quittant le Soleil, notre étoile mère émet également des particules : le vent solaire. Les particules au niveau du membre même du Soleil sont maintenues très lâchement au bord de la photosphère. Les particules comme les électrons, les protons et même les noyaux plus lourds peuvent gagner suffisamment d’énergie cinétique pour être complètement éjectées du Soleil, créant un flux de particules que nous appelons le vent solaire. En outre, des éruptions solaires, des éjections de masse coronale et d’autres événements intenses se produisent périodiquement et irrégulièrement, contribuant davantage à la perte de masse du Soleil.
Ils se sont répandus dans tout le système solaire et l’écrasante majorité se retrouve dans le milieu interstellaire, emportant environ 1,6 million de tonnes de masse chaque seconde à l’heure actuelle. Au cours de la durée de vie du Soleil, cela entraîne la perte d’environ 30 masses terrestres en raison du vent solaire. Lorsque nous combinons la perte de vent solaire avec la perte de masse de fusion nucléaire, nous découvrons que le Soleil d’aujourd’hui est d’environ ~ 10^27 kg plus léger que le Soleil d'il y a environ 4,5 milliards d’années, juste après la naissance de notre système solaire.
Bien sûr, l’existence du vent solaire n’affecte pas seulement la masse du Soleil et la force gravitationnelle liant la Terre à notre Soleil, mais une fraction de ces particules s’écrase également sur notre planète, provoquant une variété d’effets. Ces particules chargées sont canalisées par le champ magnétique terrestre vers nos pôles, où elles produisent des aurores lorsqu’elles frappent l’atmosphère. Certaines des particules qui entrent en collision avec notre planète peuvent projeter des particules atmosphériques dans l’espace, les obligeant à s’échapper complètement de la Terre.
Et, en ce qui concerne le problème du changement d’orbite de la Terre, nous pouvons également faire entrer en collision inélastique ces particules du vent solaire avec la planète Terre, modifiant notre mouvement, notre masse et notre moment linéaire et angulaire. Un total d’environ 18 000 tonnes de matière frappe notre planète chaque année, prenant environ 3 jours pour voyager du Soleil à la Terre. Tout comme les deux effets précédents – la perte de masse du Soleil due à la fusion nucléaire et l’émission de particules – celui-ci modifie également l’orbite de la Terre, très légèrement, au fil du temps.
Ces trois effets sont les seuls qui comptent en ce moment, nous pouvons donc calculer la modification de l’orbite terrestre à long terme qui leur est due.
L’effet du vent solaire qui frappe la Terre nous pousse toujours aussi légèrement vers l’extérieur, mais l’énorme masse de la Terre par rapport à la petite quantité de vent solaire qui nous frappe garantit que cet effet est faible. Au cours de chaque million d’années, il pousse l’orbite de la Terre vers l’extérieur d’environ la largeur d’un proton: 1 Å, soit environ un demi-micron au cours de la vie de notre système solaire.
Les deux causes de la perte de masse du Soleil, cependant, les ~ 30 masses terrestres de la production de vent solaire et les ~ 95 masses terrestres du rayonnement - sont plus importantes. Avec chaque année qui passe, cette perte de masse signifie que la Terre spirale vers l’extérieur à un rythme d’environ 1,5 cm (environ 0,6 pouce) chaque année. Au cours de l’histoire de notre système solaire, compte tenu de la façon dont notre Soleil a changé, nous sommes quelque part autour de 50 000 km plus loin du Soleil contre 4,5 milliards d’années.
Si nous le voulons, nous pouvons aussi calculer à quel point notre vitesse orbitale a également changé.
La Terre, en moyenne, tourne autour du Soleil à une vitesse d’environ 29,78 km/s (18,51 mi/s), soit environ 0,01% de la vitesse de la lumière. Cela varie en fait légèrement, puisque la Terre fait une orbite elliptique autour du Soleil: se déplaçant plus rapidement au périhélie (le plus proche du Soleil) et plus lentement à l’aphélie (le plus éloigné du Soleil). La différence est faible, mais calculable. À notre plus rapide, nous nous déplaçons dans l’espace à 30,29 km / s (18,83 mi / s), tandis qu’à notre plus lent, nous nous déplaçons à 29,29 km / s (18,20 mi / s).
Bien que nous n’ayons pas encore la précision nécessaire pour mesurer comment notre vitesse dans l’espace a changé, notre compréhension de la physique en jeu – la dynamique orbitale, le comportement du moment angulaire et le fonctionnement de la gravitation – nous permet de calculer comment notre système solaire changeant a affecté (et continue d’affecter) notre vitesse. Avec chaque année qui passe, la Terre ralentit d’environ 3 nanomètres par seconde par rapport à la vitesse à laquelle elle se déplaçait l’année précédente. Au cours des 4,5 milliards d’années d’histoire du système solaire, en extrapolant à partir de nos calculs précédents, notre planète a ralenti d’environ 10 mètres par seconde, soit environ 22 miles par heure.
C’est ainsi que l’orbite de la Terre change aujourd’hui, remarquez, et comment elle a changé au fil du temps jusqu’à présent. Cette même analyse s’applique aussi bien à notre passé récent qu’à notre avenir à court terme. Mais alors que nous nous tournons vers des échelles de temps de plus en plus longues et l’avenir très lointain de notre système solaire, nous pouvons identifier trois effets futurs qui pourraient changer radicalement notre orbite lorsqu’ils deviendront finalement importants.
Et il y en a quelques-uns. Au fil du temps, les effets gravitationnels des planètes qui se tirent les unes sur les autres pourront potentiellement rendre nos orbites chaotiques. Bien que, par exemple, les planètes intérieures soient toutes sûres pour le prochain milliard d’années, il y a environ 1% de chances que l’un d’entre nous quatre – Mercure, Vénus, la Terre ou Mars – devienne instable sur nos orbites du système solaire. Si cela se produit, l’orbite de la Terre pourrait changer de manière significative, peut-être même jeter notre planète dans le Soleil ou l’éjecter complètement du système solaire. C’est la composante la plus imprévisible de notre orbite planétaire.
De plus, le Soleil évoluera rapidement vers la fin de sa vie, éjectant de grandes quantités de masse et gonflant en géante rouge. À ce stade, l’orbite de la Terre s’envolera considérablement vers l’extérieur, augmentant d’environ 10 à 15%, tandis que notre vitesse orbitale diminuera d’environ le même pourcentage. Pendant ce temps, le Soleil se dilate, où il est prévu d’engloutir Mercure et Vénus, et deviendra plus grand que l’orbite actuelle de la Terre, mais pas de beaucoup. Le destin ultime de la Terre reste inconnu.
Il y a des rencontres aléatoires qui se produisent que nous ne pouvons pas prédire très loin dans le futur: le passage d’étoiles voyous, de naines brunes et d’autres masses à travers notre système solaire. Chacune d’entre elles a le potentiel d’éjecter la Terre ou de perturber notre orbite, mais ces changements sont imprévisibles.
Enfin, il y a les ondes gravitationnelles. Si tout le reste échoue, la Terre rayonnera son énergie orbitale sous forme de rayonnement gravitationnel, provoquant la désintégration de notre orbite et la spirale de la Terre dans ce qui reste du Soleil après un autre ~ 10^26 années. Ce n’est pas pertinent sur les échelles de temps d’aujourd’hui, mais assez loin dans le futur, cela pourrait être le seul effet orbital de quelque conséquence que ce soit.
Au total, la Terre s’éloigne en spirale du Soleil à une vitesse d’environ 1,5 cm chaque année, ce qui fait chuter sa vitesse orbitale d’environ 3 nanomètres par seconde sur cette échelle de temps. Si vous additionnez tous les petits changements qui se sont produits au cours de l’histoire de notre système solaire, vous constaterez que nous sommes maintenant environ 50 000 km plus loin dans notre orbite qu’il y a 4,5 milliards d’années, et que nous nous déplaçons à environ ~ 10 mètres par seconde plus lentement autour du Soleil qu’à l’époque. Au fil du temps, nous continuerons à nous éloigner en spirale et à ralentir, car le Soleil continue de perdre de la masse en raison de la fusion nucléaire et du vent solaire.
Cela peut sembler contre-intuitif, mais cela a plus de sens si vous pensez à la Terre en orbite autour du Soleil de la même manière que vous pourriez tenir une balle sur une corde et la faire tourner. Si votre corde est courte et que la force que vous exercez est grande, la balle tournera très vite. Si votre corde est longue et que la force est faible, la balle tourne plus lentement. Au fur et à mesure que nous allongeons la corde proverbiale représentant la distance Terre-Soleil, la force gravitationnelle s’affaiblit un peu, et donc la Terre n’a pas d’autre choix que de se déplacer plus lentement. L’effet peut être faible d’une année à l’autre, mais l’Univers, du mieux que nous puissions dire, a une patience infinie. Profitez de votre tout dernier voyage autour du Soleil, car nous n’en aurons plus jamais un qui passera aussi vite.
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