Dans l’Univers, rien n’est immuable. Cela s’explique par le fait que les processus physiques qui affectent les différentes masses du cosmos sont dynamiques et évoluent dans le temps. C’est le cas en ce qui concerne le Système solaire, ainsi que tous les autres systèmes solaires de l’Univers. Au fur et à mesure que l’étoile hôte évolue, les planètes qui orbitent autour s’en éloignent progressivement. Mais quelles en sont les raisons ?
Le 3 janvier 2019, la Terre a atteint le point de son orbite le plus proche du Soleil : le périhélie. Tout objet orbitant une masse unique (comme le Soleil) effectue une ellipse sur laquelle se trouve un point particulier le rapprochant le plus de cette masse : le périapside (ou périapse). Au cours des derniers 4.5 milliards d’années, la Terre a orbité le Soleil selon une ellipse, comme toutes les autres planètes orbitant leur étoile hôte.
Cependant, la trajectoire orbitale de la Terre ne reste pas constante dans le temps mais spirale vers l’extérieur. En 2019, son périhélie était 1.5 cm plus éloigné que l’année précédente, qui était elle même plus éloignée que l’année d’avant, etc. Mais cela ne concerne pas que la Terre ; toutes les planètes s’éloignent de leur étoile hôte.
La gravité : chef d’orchestre de l’Univers
Le phénomène responsable des orbites de toutes les planètes dans tous les systèmes planétaires est le même : la gravité. Qu’elle soit décrite en termes newtoniens, où les masses s’attirent entre elles, ou en matière de relativité générale, où les masses suivent les géodésiques de l’espace-temps, la masse la plus grande domine et influence les orbites des autres.
Si la masse centrale ne changeait pas et était le seul facteur en jeu, la force de gravité resterait constante dans le temps. Chaque orbite continuerait dans une ellipse fermée parfaite, éternellement.
Dans le cadre de la gravité newtonienne, les planètes effectuent des ellipses parfaites autour d’une masse unique. Cependant, dans la relativité générale, il existe un effet de précession supplémentaire en raison de la courbure de l’espace-temps, ce qui entraîne un déplacement de l’orbite dans le temps.. Crédits : NCSA/UCLA/A. Ghez
Chaque système planétaire contient d’autres masses : planètes, lunes, astéroïdes, centaures, objets de la ceinture de Kuiper, satellites, etc. Ces masses contribuent à perturber les orbites et entraînent leur précession. Cela signifie que le point d’accroche le plus proche — le périapside en général ou le périhélie pour une orbite par rapport au Soleil — tourne dans le temps.
Il y a tout juste 800 ans, le périhélie et le solstice d’hiver s’alignaient. En raison de la précession de l’orbite terrestre, ils se séparent lentement et effectuent un cycle complet tous les 21 000 ans. Crédits : Greg Benson
La mécanique orbitale, de diverses manières, affecte la précession des équinoxes. La Terre, par exemple, a eu son périhélie et le solstice de décembre alignés il y a à peine 800 ans, mais ils se séparent lentement. Avec une période de 21’000 ans, la précession du périhélie terrestre altère non seulement le point le plus proche de l’orbite de la Terre, mais également l’emplacement des étoiles polaires.
Les facteurs à l’origine du phénomène de spiralisation des planètes
D’autres facteurs impactent également l’orbite de la Terre :
la courbure additionnelle de l’espace-temps qui conduit les planètes, à proximité d’une grande masse, à subir une précession supplémentaire
la présence de particules de matière dans le plan du Système solaire, qui cause un effet de frottement sur les planètes et crée un phénomène de spirale
la production d’ondes gravitationnelles lorsqu’une masse (comme une planète) traverse une région où la courbure de l’espace-temps change (près d’une étoile par exemple), causant également une spiralisation
La Terre, se déplaçant sur son orbite autour du Soleil et tournant autour de son axe, semble former une orbite elliptique fermée et immuable. Toutefois, en réalité, elle effectue un mouvement de spiralisation qui l’entraîne loin du Soleil. Crédits : Larry McNish
Aujourd’hui, la Terre (et toutes les planètes) est si éloignée du Soleil et entourée d’une quantité de matière si rare, que l’échelle de temps d’une spiralisation est de plusieurs centaines de milliards de milliards d’années plus longue que l’âge actuel de l’Univers. Depuis que le disque protoplanétaire s’est complètement évaporé il y a quelque 4.5 milliards d’années, il ne reste presque plus rien pour dissiper le moment angulaire des planètes.
L’effet le plus important contribuant à la spiralisation est l’émission du vent solaire, qui frappe la Terre et se fixe à elle, conduisant à une légère perte de moment angulaire. De manière générale, la Terre ne spirale pas vers le Soleil, mais dans le sens opposé, comme toutes les autres planètes. Chaque année, la Terre s’éloigne d’1.5 cm du Soleil, et la raison en est le Soleil lui-même.
Fusion, perte de masse et diminution de l’attraction gravitationnelle solaire
Au cœur du Soleil, le processus de fusion nucléaire se produit. Chaque seconde, le Soleil émet environ 3.8×1026 joules d’énergie, qui sont libérés par la conversion de la masse en énergie dans le cœur. L’équivalence masse-énergie E=mc² est la cause principale ; la fusion nucléaire est le processus, et l’émission continue de l’énergie solaire est le résultat.
Cette vue en coupe présente les différentes régions de la surface et de l’intérieur du Soleil, y compris le cœur, où se produit la fusion nucléaire. À mesure que le temps passe, la région du cœur contenant de l’hélium se dilate et la température maximale augmente, entraînant une augmentation de la production d’énergie du Soleil. Crédits : Kelvinsong
La conversion de la matière en énergie entraîne une perte de masse considérable du Soleil. Au cours des 4.5 milliards d’années de l’histoire du Système solaire, le Soleil, en raison du processus de fusion nucléaire, a perdu environ 0.03% de sa masse initiale, ce qui est comparable à la masse de Saturne.
Chaque année, le Soleil perd environ 4-7 millions de tonnes de matière, ce qui diminue son attraction gravitationnelle sur chaque objet du Système solaire. Si cette attraction restait inchangée, il y aurait une très, très lente spiralisation intérieure, due aux effets de frottement, de collisions et de radiations gravitationnelles. Mais avec les changements gravitationnels du Soleil, la Terre, comme toutes les planètes, s’éloigne lentement de son étoile, en spiralant vers l’extérieur.
Tandis que le Soleil brûle son carburant et perd donc de la masse, les planètes s’éloignent progressivement de celui-ci dans un mouvement de spirale extérieur. Crédits : NASA
Bien que l’effet soit faible, cette variation de 1.5 cm par an est facilement calculable. Il y a 4.5 milliards d’années, la Terre était donc environ 50’000 km plus proche du Soleil qu’aujourd’hui. Et cette distance continuera de s’allonger à mesure que le Soleil brûle son carburant. Ces calculs sont sans ambiguïté, bien qu’il reste encore aux scientifiques à mesurer directement cet éloignement progressif de manière expérimentale.
Thomas Boisson
