我们在宇宙里跑得有多快?你想象不到的复杂
2022-04-15 16:35:25  出处:新浪科技  作者:任天 编辑:上方文Q     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

地球不仅在绕着自己的轴旋转,也围绕着太阳旋转,同时随着银河系移动,并被银河系带向更深远的太空中。

无论从哪个角度看,地球都在时刻不停地运动着。这颗蓝色星球围绕着自转轴不停旋转,大约每天旋转一圈。

在自转的同时,地球也围绕太阳旋转,每年完成近10亿千米的旅程。

此外,整个太阳系——包括太阳、各大行星及其卫星等——都处于银河系当中,以比人类存在时间更长的时间尺度绕银河系中心运行。

最后,银河系在本星系群之内移动,而本星系群本身又在星系际空间中移动。

根据对相对运动的测量,我们可以量化地球在宇宙中移动的速度。尽管在地球上,我们所做的实验几乎无法探测到地球的运动,但通过对宇宙的观察,我们能够精确地了解地球在不同尺度上的运动。

我们在宇宙里跑得有多快?你想象不到的复杂
这张地球的照片是由美国国家航空航天局(NASA)的信使号探测卫星提供的

地球自转有多快?

这个问题似乎看起来很简单,但其实有着不同的答案,取决于你在地球表面的确切位置。地球可以视为一个刚体,这意味着随着时间的推移,某个陆块相对于其他陆块会保持相对恒定的状态。

地球绕自转轴旋转,其表面几乎每一个点完成一次完整自转的时间都不到24小时,准确地说,是23小时56分4.09秒。

我们之所以给一天分配24小时,是因为地球围绕太阳的运动改变了地球相对于前一天开始时的相对位置。

事实上,地球不只是围绕自转轴旋转,还围绕着太阳旋转。这些额外的运动使得我们的星球需要旋转360度多一点才能从日出到日出,或从日落到日落。

人们常说地球的半径约为6371千米,但这只是平均半径。在现实中,地球不仅有山脉、山谷和海洋等局部地形特征,而且作为一个整体,地球在赤道处隆起,在两极则略有压缩。

处于休眠状态的钦博拉索山(位于厄瓜多尔中部)是距地球中心最远的地方,距离达到6384.4千米,而北极的海平面距离地球中心只有6356千米。

不过,整个地球在不到24小时的时间间隔内完成一次360度的旋转,意味着在地球赤道(0度纬线)上的人运动距离最远,达到每小时1676千米;随着纬度越高,你随地球旋转的运动就较慢。

在南北纬45度的人移动的速度只有1183千米/小时,而在北极或南极的人根本不会移动;他们只是简单地完成一次旋转,始终保持在地球的地理极点上。

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地球绕太阳公转一周的距离是9.4亿千米。每一天,地球在太空中会多走300万千米,这使得地球绕地轴旋转360度的同时,太阳每天在天空中的相对位置不会保持不变。

这就是我们的一天比地球旋转360度所需的23小时56分钟还要长的原因。

地球是一颗绕地轴旋转的行星,这一事实引出了一些有趣的结果:

(1)重力加速度在高纬度地区略强,因为越靠近地心,加速度越大。换言之,你在两极的速度会比在赤道的速度快0.5%。

(2)地球赤道的运动速度更快,意味着你越接近0°纬线,发射物体到太空所需的能量就越少,这就是地球上几乎只选择热带地区进行火箭发射的原因。

(3)月球和太阳引力导致的潮汐作用,意味着地球会随着时间推移产生轻微的“刹车”效应。每过一年,地球一日就比上一年增加约14纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)。将时间推回到大约40亿年前,在太阳系的早期阶段,地球的自转速度要比现在快3到4倍,意味着当时一天只有6到8小时,而不是24小时。

地球绕太阳转的速度有多快?

由于自转,地球表面上的点最快可以达到每小时1676千米的速度,相当于每秒0.47千米。但与地球绕太阳公转的速度相比,自转速度可以忽略不计。

地球与太阳的距离约为1.5亿千米,在这种情况下,太阳的质量决定了一颗行星——或任何一颗卫星——需要以多快的速度运动,才能保持在一个稳定的、接近圆形的轨道上。

平均而言,这个速度接近每秒30千米;当地球从离太阳最近的点(近日点)移动到离太阳最远的点(远日点)时,它的实际速度一直在变化。

地球运行最快时,速度为30.29千米/秒;运行最慢时,速度仅为29.29千米/秒,二者相差约3%。

更靠近太阳的行星运行速度更快,其中以水星的运行速度最快,约为47千米/秒;在地球之外,距离太阳越远的行星运行速度越慢,一直到海王星,其运行速度仅为5.4千米/秒。

不过,正如地球绕太阳公转的速度远远超过地球自转的速度一样,其他宇宙运动也远远超过地球的公转速度。

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地球绕太阳运行的轨道不是一个完美的圆,而是一个椭圆形

太阳系在银河系中移动的速度有多快?

如果太阳质量更大,这些行星就需要以更快的速度绕轨道运行,才能保持当前的位置;这一切都是由万有引力的本质决定的。

银河系本身就包含了数千亿颗恒星,所有这些恒星及其恒星系也都在引力的作用下不停运转。即使我们所处的位置距离银河系中心相当遥远——将近27000光年——但无论是太阳,还是邻近的其他恒星,都被拉进了围绕银河系的椭圆轨道中。

绕银河系公转一圈需要相当长的时间:大约在2.2亿年到2.5亿年之间。换句话说,当我们上一次处于相对于银河系中心的这个位置时,第一批恐龙才刚刚开始出现。

据估计,太阳绕银河系的速度约为220千米/秒,大约是地球绕太阳公转速度的7倍。这个数字中有大约20千米/秒是不确定的,因为我们只知道地球在银河系中移动的速度有多快,精度约为10%。

这个约20千米/秒的值,也近似于科学家观测到的邻近恒星相对于我们的运动速度。地球(作为太阳系的一部分)在宇宙中以各种不同的方式运动,而其在银河系中的运动有着最大的不确定性。

同样值得指出的是,行星围绕太阳的运动并不完全与太阳和太阳系在星系中的运动一致。

尽管太阳系环绕银河中心运行的轨道大约在银河平面上——银河系的盘状平面直径超过100000光年,但厚度只有大约2000光年厚——但行星本身围绕太阳运转的轨道平面(黄道面)与银河系平面呈60度的倾角。

因此,根据地球与太阳系穿过银河系的方向是相同还是相反,就可以计算出我们在地球上穿过银河系的累积运动速度,从208到237千米/秒不等。在一年的时间里,这一速度值会发生变化。

尽管太阳系本身毫无疑问在围绕银河系中心进行椭圆运动,但这个轨道的偏心程度(离银河系中心最近和最远的距离之间有多大差别)还没有很确切的数值。

尽管这个值可能略低于10%,但事实是,与其他恒星的近距离接触(每百万年随机发生几次)正在不断改变太阳系在银河系中的轨道参数。

这样一个混乱的环境,似乎可以用一句古老的丹麦谚语来描述,那就是“很难做出预测,尤其是关于未来的预测”。

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行星围绕太阳运行的精确模型,与此同时,太阳以另一个方向在星系中运动

银河系在本星系群中移动的速度有多快?

两个大质量物体之间的引力强度决定了它们在相互影响下向彼此加速运动的程度,而这种加速,随着时间的推移,会导致这些质量在宇宙空间中快速移动。

即使在地球绕着地轴自转,绕着太阳公转,同时整个太阳系在围绕银河系公转时,也有更大的宇宙运动在起作用。

离我们最近的例子便是所谓的本星系群,银河系是其中大约60个独立星系中第二大的,而它们都被捆绑在一起。

本星系群中规模最大、质量最大的星系是仙女座星系,距离我们大约250万光年,其质量可能是银河系的两倍。

仙女座星系太遥远了,我们无法精确测量它的位置如何随时间变化——至少在人类的时间尺度上是这样——但我们可以测量它在视线范围内的速度。

根据天文学家观测到的宇宙光谱线的蓝移,我们可以知道仙女座星系正以301千米/秒的速度向太阳系移动。

考虑到太阳在银河系中移动的方向和速度,我们可以确定银河系和仙女座星系正以109千米/秒的速度相向而行。

换言之,我们正处在这两个星系碰撞的过程当中,大约40亿年后,一场伟大的星系合并将会揭开序幕。

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太阳绕银河系中心运行的轨道在银河系平面内,其与银河中心的距离大约25000到27000光年。

但是,太阳系中行星的轨道方向与银河系并不一致。就目前所知,在恒星系统中,行星的轨道平面是随机的,通常与中心恒星的旋转面对齐,但也会随机地与银河系平面对齐。

本星系群穿越星系际空间的速度有多快?

最后,只有当我们绘制出宇宙中完整的星系群、星系团、超星系团以及更大的结构时,我们才能探测到最宏大的尺度。在邻近的宇宙中,另一些巨大的物体也在向我们施加作用。

低密度区域(underdense region)失去了曾经拥有的物质,其周围更加密集的区域获得了这些物质;因此,低密度区域正以一种低于宇宙平均水平的力拉扯着我们,其本质上施加了一种排斥的效应。

我们在宇宙里跑得有多快?你想象不到的复杂
这一系列的照片展示了银河系和仙女座星系合并的过程,以及从地球上看到的天空景象

本星系群属于范围更大的室女座超星系团,后者也是本星系群周围的大部分引力的来源。

相对于其他宇宙运动,室女座超星系团吸引着我们以大约300千米/秒的速度向其移动。

然而,在天空的另一边,与室女座超星系团中心相对的,是一个明显密度较低的空间区域。具有大质量的空间区域被称为星系团,这些低密度的区域则被称为空洞(void);邻近宇宙中的空洞也以大约300千米/秒的速度将我们排斥出去。

因此,我们的一边是拥有大量星系、质量巨大的超星系团,另一边则是一个稀疏的、物质贫乏的空洞,吸引的力和排斥的力都指向同一个方向,导致本星系群的净运动速度约为每秒600千米。

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室女座超星系团的各个星系聚集在一起。在最大的尺度上,宇宙是均匀的,但当你观察星系或星团尺度时,会发现同时存在着过密集区域和低密度区域。

那么,我们在空间中的运动速度累积起来是多少呢?

将所有这些运动综合在一起:

·地球绕地轴自转;

·地球绕着太阳公转;

·太阳在银河系中移动;

·银河系向仙女座星系移动;

·本星系群被邻近的过密集区域所吸引,被邻近的低密度区域所排斥。

我们就可以得到一个值,表示我们在任何给定时刻在宇宙中移动的速度。

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由于物质在整个宇宙中大致均匀分布,不仅是过密集的区域会影响地球的运动,低密度的区域也会产生影响。

科学家最近才发现了一种被称为“偶极排斥器”的性质,可以解释本星系群相对于宇宙中其他物体的奇特运动。

总体而言,我们在太空中的运动速度总和约为368千米/秒,朝着一个特定的方向:狮子座。

在一年的时间里,这一数值的变化幅度可达每秒30千米,主要是由于地球围绕太阳公转运动的变化。

对宇宙微波背景辐射的测量证实了这一点:宇宙微波背景辐射在我们移动的方向(狮子座)上更热,而在相反的方向(远离水瓶座)上更冷。

忽略每年公转运动的变化,我们可以确定太阳相对于宇宙微波背景的运动速度为368千米/秒,这个数值的不确定度仅为±2千米/秒。

综合目前所有的测量结果,我们可以计算出本星系群相对于周围宇宙大尺度结构的运动速度:627±22千米/秒,向半人马座的方向移动。

±22千米/秒的不确定度几乎完全是由于太阳绕银河系中心运动的不确定度造成的,这是我们累积运动中最难测量的部分。

如果想知道地球在宇宙中移动的速度,我们就必须先回答一个问题:“相对于什么移动?”你是在问地球自身的旋转速度,还是它相对于太阳的运动速度?抑或是相对于银河系或本星系群,还是宇宙的其他大尺度结构?或者大爆炸本身剩下的光:宇宙微波背景?

在整个宇宙中,没有什么是静止不变的,也没有什么是孤立存在的。今天,科学家已经对我们在不同尺度宇宙中的移动有所了解。在未来,当我们拥有一张更高清晰度的银河系地图时,或许就能够预测我们未来在宇宙中的运动,其精度将是目前无法想象的。

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