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在浩瀚宇宙中,地球究竟是如何运动的呢?事实上,由于受到多种力量的影响,地球的运动比我们想象中要复杂得很多。天文学家通过观测发现,远在1.47亿光年外的宇宙深处,某种强大的力量正在吸引包括地球在内的银河系狂奔而去,其速度可达每秒600公里,这究竟是怎么回事呢?
关于地球的运动,大家最熟悉不过的是地球的自转。正所谓“坐地日行八万里”,由于地球自转,地球赤道附近每秒转动465米,每天转动大约4万公里。随着纬度变高,线速度变得越来越慢,转动距离就会逐渐减小,直到地理南北极点变为零。但地球自转角速度是一样的,各地都是每24小时转一圈。由于地球自转,才有了太阳每天的东升西落以及地球的昼夜交替。
除此之外,地球还在距离太阳1.5亿公里之外,于近似圆形轨道上,以每秒30公里的速度绕着太阳转动,这要比地球自转线速度快了很多。地球每一圈公转的运动距离可达9.4亿公里,转一圈就是一年。
需要注意的是,我们通常所说的地球公转运动是以太阳作为参照系,这样公转轨道看起来是一个闭合的近似圆形。但太阳乃至整个太阳系并非始终位于空间中的某个点,而是也在空间中运动,所以地球的公转轨道并非一条闭合的曲线。
我们在夜空中看到的星星绝大多数都是恒星,另外还有更多我们看不到的恒星。包括太阳在内的上千亿颗恒星以及星云等物质构成了一个盘状结构,这就是银河系,其直径估计为10万光年,将近95亿亿公里(95后面有16个0)。
银河系中所有天体的引力互相叠加,形成了一个引力中心,这就是银心,它与太阳系相距约2.66万光年。银心那里有一个质量为太阳430万倍的超大质量黑洞,银心附近的恒星密度极高,所以银心看起来十分明亮。银河系中所有恒星都在引力中心的束缚下,绕着银心转动。
因此,如果以银心为参照系,在地球绕太阳公转的同时,太阳也带着地球在银河系空间中穿行,地球就不会转动到原来的位置,地球的运行轨迹呈现为螺旋曲线。
那么,太阳系在银河系中朝着哪个方向运动?速度又有多快呢?
地球绕太阳公转的轨道平面——黄道面,与银河系盘面——银道面,并不重合,黄道面相对于银道面倾斜了约60度。据估计,太阳带着地球等一众太阳系天体,以每秒236公里的速度在银盘中前进,每2.12亿年绕银心转一圈,这个公转周期被称为银河年。
对于生命而言,一个银河年极为漫长。在上个银河年,地球正处于三叠纪晚三叠世,那时还没有人类,恐龙和哺乳动物才开始在地球上登场,地球陆地还是合成一大块的盘古超大陆。而从地球诞生至今,也才仅仅过了大约21个银河年。
有趣的是,太阳系在银河系中的运动轨道并非是一个平面。太阳系其实是在银道面上下方100光年的范围内上下摆动,周期估计为6400万年,所以太阳系每3200万年就会从银道面中穿过一次。
从更大的宇宙尺度来看,银河系也不是静止的。首先,银河系是本星系群的一部分,它会绕着本星系群的共同引力中心转动。同样地,本星系群之上还有室女座星系团,而该星系团之上还有室女座超星系团,它们都会绕着某个共同引力中心转动。
进一步观测结果表明,包括银河系在内的10万个星系共同构成了更大的结构——拉尼亚凯亚超星系团,其直径估计为5.2亿光年。这个巨大无比的星系团中有个引力异常的区域,被称为巨引源,它束缚着其中所有星系的运动,把所有星系拽向这个引力深渊。
据估计,这个引力异常区域聚集着3亿亿倍太阳质量的物质,它与地球相距1.47亿光年。根据宇宙微波背景偶极数据,在巨引源强大引力的作用下,银河系带着地球正以每秒600公里的速度向它飞去。
照此计算,银河系将在734亿年后被吸入巨引源。这是一个极为漫长的时间,那时候太阳早就停止核聚变反应,演变成一颗白矮星,逐渐在宇宙中冷却下来。
如果把参照系选择在更遥远的宇宙,银河系的退行速度将超过光速。由于整个宇宙的空间结构都在不断均匀膨胀,使得遥远星系之间相互远离的速度v与距离D成正比,这就是哈勃定律:
v=H·D
其中比例系数H为哈勃常数。
根据哈勃定律,如果距离足够远,星系之间的退行速度将会大于光速。按照最新的哈勃常数(68.3(km/s)/Mpc)来计算,相对于143亿光年外的星系,银河系远离它们而去的速度达到了光速。相对于465亿光年外的可观测宇宙边缘来说,银河系的退行速度高达每秒97.4万公里,这相当于光速的3.25倍,已经远超光速。
但这并不意味着违背了相对论的光速限制,因为星系的超光速退行现象是由空间自身膨胀造成的,而星系自身相对于宇宙背景辐射的运动速度远低于光速。
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