Talvez você já tenha visto vídeos de como os planetas do sistema solar se movem pelo universo em uma hélice legal. Mas não apenas esses são enganadores, o movimento real da Terra — seu movimento real pelo universo — é muito mais complicado e muito mais interessante.

Esse vídeo dos planetas se movendo em um padrão de saca-rolhas não está exatamente errado, mas muitas vezes é apresentado de uma maneira enganosa — sugerindo que a ideia “antiga” de planetas orbitando o Sol está errada — e que realmente nos movemos em um vórtice legal. Isso é enganador porque sugere que um quadro de referência — aquele onde vemos a hélice — é fundamentalmente melhor do que qualquer outro. Hoje vou dizer algumas palavras contra esse chauvinismo de referência e depois falar sobre como a Terra REALMENTE se move pelo universo, o que envolve uma quantidade surpreendente de astrofísica incrível.

Para começar, quero que você imagine que está em um navio se movendo constantemente em um oceano perfeitamente liso em uma cabine fechada. Os vigias estão fechados e não há como você saber quão rápido está se movendo. Ou mesmo que você está se movendo. Este é o experimento mental que Galileo Galilei descreveu em seu livro de 1632, “Diálogo sobre os Dois Principais Sistemas do Mundo”, para expressar o que agora chamamos de relatividade Galileana. É a ideia de que não há um único melhor quadro de referência a partir do qual definir o conceito de imobilidade. Não há um quadro de repouso absoluto. Todos os quadros não acelerados — também chamados de quadros inerciais — podem ser considerados imóveis no que diz respeito às leis da física.

Portanto, a visão do Sistema Solar traçando essa hélice pelo espaço é um quadro de referência válido, mas sabe o que mais é um quadro de referência válido? Este aqui. Onde os planetas orbitam o Sol, como você sempre foi ensinado. Pelo menos em escalas de tempo inferiores a milhões de anos. OK, meme desmentido. Vamos seguir para a astrofísica interessante e falar sobre como a Terra realmente se move e o que podemos aprender com isso.

Dada essa relatividade Galileana do movimento, faz sentido dizer como a Terra está se movendo? Bem, pode não haver tal coisa como uma definição única fundamental de imobilidade, mas isso não significa que todos os quadros de referência sejam iguais. Escolhemos um quadro de referência que é mais útil para a questão em questão. Por exemplo, se seu cérebro está subconscientemente calculando a trajetória de uma bola voando pelo ar para pegá-la, você não vai levar em conta o fato de que a superfície da Terra está se movendo a cerca de 1000 km/h devido à sua rotação. Você pode tratar seu pedaço da superfície da Terra como inercial para esse cálculo.

Se a NASA quer enviar um robô para Marte, provavelmente não quer usar o quadro de referência de Cabo Canaveral, ou mesmo do centro da Terra para fazer sua mecânica celeste. Ela usa um quadro de referência inercial do sistema solar. Mas a NASA pode ignorar o fato de que o Sol está correndo pela galáxia a 230 km/s.

Então, se queremos responder à pergunta “como a Terra realmente se move”, precisamos escolher os quadros de referência úteis. Vamos começar com o quadro de referência de nossas representações familiares dos movimentos dos planetas — um fixado aproximadamente no Sol. Uma coisa é imprecisa sobre essa representação — e isso é a ideia de que os planetas estão orbitando o Sol, enquanto o Sol está fixo em relação aos planetas. Os planetas puxam o Sol assim como ele puxa os planetas, fazendo o Sol se mover.

O melhor quadro de referência para descrever o movimento dentro do sistema solar é o do baricentro — o centro de massa. Este é o ponto real que tudo no sistema solar está orbitando. Do quadro de referência do baricentro, o Sol executa essa pirueta complexa, principalmente em resposta às puxadas gravitacionais desiguais de Júpiter e Saturno. O baricentro do sistema solar às vezes está abaixo da superfície do Sol, mas quando os dois planetas gigantes estão vagamente alinhados, pode estar bem fora do Sol.

Então, como isso afeta a órbita da Terra? O movimento do baricentro é mais lento do que a órbita da Terra. Isso faz com que a órbita elíptica da Terra se estique e comprima muito ligeiramente na escala de tempo dos anos de Júpiter e Saturno — 5 e 12 anos terrestres, respectivamente. E a atração dos outros planetas também faz com que a orientação dessa elipse gire ao redor do Sol ao longo de milhares de anos. Falamos sobre esse efeito em detalhes e sua conexão com as eras glaciais quando discutimos os ciclos de Milankovic.

Então, esse é o movimento da Terra dentro do sistema solar — complicado, mas não tão complicado quanto seu movimento pela galáxia. Esse movimento galáctico também é muito mais difícil de descobrir. No sistema solar, há relativamente poucos corpos cuja gravidade você precisa levar em conta, e de qualquer maneira, a gravidade é massivamente dominada pelo Sol. A fonte do campo gravitacional da Via Láctea não é dominada por um objeto — tudo orbita nos campos gravitacionais somados de tudo o mais. Isso torna as coisas complicadas, mas também significa que podemos aprender uma quantidade enorme sobre a estrutura complexa de nossa galáxia apenas rastreando o movimento de seus constituintes.

O sistema solar está se movendo a cerca de 230 km/s em relação ao centro da Via Láctea — mais ou menos. Isso significa que uma única órbita leva quase 230 milhões de anos. A última vez que a Terra estava deste lado da galáxia, os dinossauros vagavam pela Pangeia e os trilobitas tinham acabado de se extinguir.

Para descrever o movimento do Sol pela galáxia, precisamos escolher um novo quadro de referência. Poderíamos escolher o centro da galáxia — mas isso é realmente muito difícil de identificar. Em vez disso, tendemos a descrever o movimento complicado do Sol em relação a uma órbita hipotética muito mais simples — o que chamamos de Padrão Local de Repouso (LSR). O LSR é o quadro de referência que o Sol teria se estivesse executando uma órbita perfeitamente circular a partir de sua posição atual. Isso nos permite descrever o quão “não circular” é a órbita do Sol. Também há uma boa motivação física. Quase todas as estrelas no disco da Via Láctea começam em uma órbita quase circular. Isso porque as nuvens de gás a partir das quais as estrelas se formam são empurradas para órbitas circulares devido ao atrito com outros gases — atrito que as estrelas não experimentam. Depois que uma estrela se forma na mesma órbita circular de sua nuvem de nascimento, ela gradualmente é desviada dessa órbita por uma miríade de chutes gravitacionais de outros objetos na Via Láctea.

Determinar a velocidade do Sol em relação ao LSR é apenas uma questão de encontrar muitas estrelas novas e jovens que se formaram recentemente e ainda estão em suas órbitas de nascimento e fazer uma média de como elas estão se movendo em relação a nós. A partir dessas medições, descobrimos que o Sol está um pouco mais rápido do que deveria para uma órbita perfeitamente circular — em relação ao padrão local de repouso, o Sol está derivando “para a frente” a cerca de 5 km/s. Também está derivando “para dentro” em direção ao centro galáctico a cerca de 8 km/s e se movendo para cima e para fora do disco a cerca de 7 km/s. Este pequeno “movimento peculiar”, como é chamado, tem enormes consequências para o caminho que o Sol e o sistema solar tomam pela galáxia.

Para começar, essa lenta deriva em direção ao centro galáctico não significa que vamos cair no Sagitário A*. O Sol está tentando executar uma órbita ligeiramente elíptica ao redor da galáxia, e atualmente está se movendo mais perto do centro galáctico. Mas a massa da Via Láctea está espalhada por toda a galáxia em vez de concentrada no centro como no sistema solar. Isso significa que órbitas elípticas simples não são possíveis. Em vez disso, o Sol traça esse padrão de flor bonito ao longo de muitas órbitas. Geometricamente, é “epicíclico” — a forma que uma roda menor faz ao rolar sobre uma roda maior.

O leve movimento ascendente do Sol é talvez ainda mais interessante — e certamente muito mais impactante. Já mencionei que estamos nos movendo para cima e para fora do disco galáctico a cerca de 7 km/s. Estamos atualmente a algumas dezenas de anos-luz acima do meio, embora seja difícil saber exatamente onde está o centro do disco galáctico. Não estamos em perigo de escapar da galáxia. Com mais matéria abaixo do que acima de nós, a gravidade do disco está desacelerando nosso movimento ascendente. Em alguns milhões de anos, teremos subido cerca de 300 anos-luz acima do centro do disco antes que nosso movimento ascendente desacelere até parar, e começamos a cair de volta. Vamos despencar através do disco, ultrapassar e sair do outro lado. Executamos um desses saltos graciosos aproximadamente uma vez a cada 60 milhões de anos, então algumas vezes por órbita galáctica.

Essa oscilação vertical é mais do que uma curiosidade. Alguns astrônomos acham que isso pode estar diretamente ligado a extinções em massa na Terra. Você sabe que os dinossauros foram extintos há 60 milhões de anos.

O centro do disco é um lugar mais perigoso para o sistema solar devido à maior densidade de estrelas. Isso nos coloca em maior risco de uma supernova próxima ou encontros próximos com outros objetos massivos que poderiam desestabilizar detritos no sistema solar externo que poderiam impactar a Terra. Mas essa é uma história para outra hora.

Esse movimento de salto do Sol e de outras estrelas também é uma ferramenta científica útil — ele nos dá uma maneira de testar diferentes teorias da misteriosa matéria escura que é invisível e só foi detectada por sua forte influência gravitacional. Existem muitos modelos diferentes para o tipo de partícula ou objeto de que a matéria escura é feita, e esses modelos fazem previsões diferentes de como a matéria escura interage consigo mesma. Nos modelos mais mainstream, ela interage consigo mesma quase nada, o que significa que permanece muito fofa e espalhada. Mas alguns candidatos a matéria escura podem experimentar interações fracas consigo mesmas, resultando em uma força semelhante ao atrito e permitindo que a matéria escura se acumule no disco da galáxia, o que levaria a um disco mais massivo do que no caso onde a matéria escura está mais espalhada. Então, pesando o disco, podemos potencialmente testar esses tipos de modelos de matéria escura. E podemos fazer isso olhando para as oscilações verticais das estrelas. Isso porque a massa do disco determina quão alto as estrelas podem subir nessas oscilações verticais. Medir velocidades verticais e alturas máximas para estrelas próximas nos disse até agora que não há evidência de qualquer densidade extra de matéria escura no disco, o que apoia modelos de matéria escura não interativa.

OK, agora sabemos como o Sol se move pela galáxia, mas e o sistema solar como um todo? O plano das órbitas dos planetas — também chamado de plano da eclíptica — está inclinado cerca de 60 graus. É por isso que vemos esse tipo de padrão de saca-rolhas achatado enquanto os planetas se movem pela galáxia.

As órbitas dos planetas fazem com que eles passem metade do ano à frente do Sol na órbita galáctica, enquanto eles ficam para trás na outra metade. No caso da Terra, ela está mais à frente do Sol em setembro, enquanto em março está mais atrás. Além disso, por metade do ano, a Terra está se movendo na mesma direção que o Sol pela galáxia, então suas velocidades se somam, com a velocidade máxima em junho. Enquanto na outra metade do ano estamos nos movendo para trás em relação ao movimento do Sol, então em dezembro o movimento galáctico da Terra é o mais lento.

Essa mudança na velocidade galáctica da Terra também é útil para testar — adivinhe — modelos de matéria escura. Se a matéria escura é alguma partícula exótica, então deve estar passando pela Terra enquanto nos movemos pela galáxia. E quanto mais rápido nos movemos, mais matéria escura deveríamos varrer, da mesma forma que mais chuva atinge seu para-brisa quanto mais rápido você dirige. Experimentos de matéria escura deveriam ver mais eventos em junho em comparação com dezembro. Na verdade, físicos do experimento DAMA em Gran Sasso, na Itália, podem ter detectado esse sinal, embora ainda seja discutível — em parte porque outros detectores ainda não conseguiram reproduzi-lo.

OK, só mais uma crítica sobre esse chamado movimento de vórtice. Atualmente, a eclíptica está quase de frente em comparação com o movimento orbital do Sol, então o saca-rolhas é válido. Mas devido à conservação do momento angular, o plano do sistema solar não vai ‘girar’ com a órbita do Sol. Depois de um quarto de órbita galáctica, o plano da eclíptica estará de lado — o sistema solar será como uma grande roda rolando na direção da órbita do Sol.

Agora temos uma imagem de como o sistema solar realmente se move pela galáxia. Mas como nos movemos pelo universo como um todo? A Via Láctea é puxada pelos campos gravitacionais das massas ao seu redor. Estamos correndo em direção à galáxia de Andrômeda a algumas centenas de quilômetros por segundo, enquanto todo o nosso grupo local — Andrômeda, a Via Láctea e as outras pequenas galáxias ao nosso redor — estão sendo puxados a várias centenas de km/s em direção a uma superdensa concentração de galáxias chamada Grande Atrator. Neste ponto, torna-se realmente complicado definir um único quadro de referência para definir precisamente nossa velocidade relativa.

Exceto que temos um último recurso — um quadro de referência concedido a nós pelos primeiros tempos do universo. O quadro de referência da radiação cósmica de fundo. Esta é a luz fraca em comprimento de onda de rádio que foi emitida pelo hidrogênio quente que preenchia o universo antes do nascimento das primeiras estrelas. Aqueles átomos de hidrogênio estavam se movendo em todas as direções diferentes, mas tinham uma velocidade média. Se você estivesse lá perto do início, e estivesse se movendo na velocidade média daqueles átomos, então a luz produzida por aqueles átomos pareceria a mesma em todas as direções. No entanto, se você tivesse qualquer velocidade diferente, então a luz que te atingisse de frente seria um pouco mais energética — um pouco mais azul. A luz que te atingisse por trás seria menos energética, ou mais vermelha.

Bem, aqueles átomos estão principalmente nas estrelas agora, mas a luz que eles produziram ainda está em toda parte. A radiação cósmica de fundo define um quadro de repouso para o universo. E podemos verificar nosso quadro de referência em comparação a ele. Acontece que estamos correndo a 368 km/s (mais ou menos 2 km/s) em relação ao quadro de repouso cósmico — fomos puxados da velocidade média cósmica por grandes densidades de galáxias a centenas de milhões de anos-luz de distância.

Então, é assim que você está se movendo atualmente pelo universo. É incrivelmente vertiginoso em todos os quadros de referência, exceto no quadro do seu próprio corpo. Na extremidade mais extrema, você está rodopiando em um saca-rolhas achatado que se transforma em uma roda rolando enquanto mergulha acima e abaixo do disco galáctico, traçando pétalas de flores ao redor da Via Láctea, que por sua vez forma uma hélice em escala galáctica, a soma total de nossa dança rodopiante pelo espaço-tempo.