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每秒600公裏!地球在宇宙中疾馳,目標:1.47億光年外的巨引源

2024-07-02科學

在遼闊的宇宙空間中,地球的運動路徑要比我們平常想象的還要復雜。天文學家們發現,位於遠達1.47億光年的宇宙深處,存在一種強大的力量正吸引著包括地球在內的銀河系急速前行,速度高達每秒600公裏,這是如何造成的呢?

談到地球的運動,大家最熟知的是地球的自轉。地球每秒在赤道附近旋轉465公尺,一天則旋轉約4萬公裏。緯度越高,線速度逐漸減慢,直至南北極點速度為零。盡管自轉速度在不同緯度有差異,但地球在24小時內完成一圈的角速度是相同的。地球的自轉帶來了日出日落及日夜更替的現象。

此外,地球在離太陽1.5億公裏的距離上,沿著近似圓形的軌域以每秒30公裏的速度繞太陽旋轉,這一速度遠快於地球自轉的速度。地球每轉一圈的公轉距離為9.4億公裏,一圈即為一年。

值得註意的是,我們通常說的地球繞太陽的公轉是以太陽為參照物,這樣公轉軌域看似一個閉合的圓。但是,太陽和整個太陽系其實也在宇宙空間中運動,因此地球的公轉軌域實際上並非完全閉合。

我們夜空中可見的大多數星星都是恒星,銀河系包括太陽在內的千億顆恒星和星雲構成了一個盤狀結構,直徑約為10萬光年,約為95億億公裏。

銀河系中所有天體的重力交互作用,形成了銀河中心,距太陽系約2.66萬光年。這裏有一個品質是太陽430萬倍的超大品質黑洞,其周圍恒星密度極高,使銀河中心非常亮。銀河系內的恒星都在這個重力中心的影響下圍繞它旋轉。

因此,如果以銀河中心為參照物,地球在繞太陽公轉的同時,太陽也正將地球帶領著在銀河系中穿梭,使得地球的運動軌跡呈現為一個螺旋形。

太陽系在銀河系中向哪個方向前進,速度又是多少呢?

地球繞太陽的公轉軌域面——黃道面,和銀河系的盤面——銀道面不同,二者之間大約傾斜了60度。據估計,太陽帶著地球等太陽系天體,以每秒236公裏的速度在銀盤中前行,每2.12億年繞銀河中心轉一圈,這一周期被稱為銀河年。

對於生命來說,銀河年是非常漫長的時間單位。在上一個銀河年,地球處於三疊紀晚期,那時人類尚未出現,恐龍和哺乳動物開始主宰地球,地球的陸地還是連成一塊的盤谷超大陸。從地球形成到現在,大約經過了21個銀河年。

有意思的是,太陽系在銀河系中的運動軌域並非完全是平面的。實際上,太陽系在銀道面上下100光年的範圍內上下擺動,周期約為6400萬年,因此每3200萬年太陽系就會穿越銀道面一次。

從更廣闊的宇宙視角來看,銀河系並非靜止不動。首先,銀河系是本星系群的一部份,圍繞本星系群的共同重力中心旋轉。同樣,本星系群是室女座星系團的一部份,而室女座星系團則是室女座超星系團的一部份,這些結構都圍繞著某個共同的重力中心旋轉。

更進一步的觀測顯示,包括銀河系在內的10萬個星系構成了一個更大的結構——拉尼亞凱亞超星系團,其直徑估計為5.2億光年。在這個龐大的星系團中,有一個重力異常的區域,被稱為巨引源,正吸引著所有星系向這個重力深淵移動。

據估計,這個重力異常區域匯聚了3億億倍太陽品質的物質,距離地球1.47億光年。根據宇宙微波背景的偶極數據,由於巨引源的強大重力影響,銀河系帶著地球正以每秒600公裏的速度朝它飛去。

按此計算,銀河系將在734億年後被吸入巨引源。到那時,太陽將停止核融合反應,變成一顆白矮星,並逐漸冷卻消失在宇宙中。

如果將參照系定在更遙遠的宇宙,銀河系的退行速度甚至可以超過光速。宇宙的空間結構在不斷均勻膨脹,導致遠距離星系之間的相對速度與距離成正比,這就是哈伯定律:

v=H·D

其中,比例系數H是哈伯常數。

根據哈伯定律,如果距離足夠遠,星系間的退行速度可以超過光速。按照當前的哈伯常數(68.3(km/s)/Mpc)計算,相對於143億光年外的星系,銀河系的退行速度達到了光速。而相對於465億光年外的可觀測宇宙邊緣,銀河系的退行速度高達每秒97.4萬公裏,這相當於光速的3.25倍,遠超過光速。

然而,這並不意味著違反了相對論的光速限制,因為星系的超光速退行現象是由宇宙空間本身的膨脹引起的,而星系本身相對於宇宙背景放射線的運動速度遠未達到光速。