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人类注定无法离开本超星系团吗?


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人类注定无法离开本超星系团吗?:有些答案提到了宇宙超光速膨胀的因素,但是却没有提加速膨胀。然鹅加速膨胀才是你能否出去的关键因素。

如果对加速膨胀没有概念,可以先看看这个:

加速膨胀导致的结果就是传说中的“大撕裂”,发生大撕裂的时间尺度并不遥远——距离现在只有大几百亿年;而如果是问加速膨胀什么时候能影响到超星系团尺度的话,那这个时间还会更短。

大撕裂理论依赖的公式:

t_{rip} – t_{0} ≈ /frac{2}{3/left| 1+/omega /right|H_{0}/sqrt{1-/Omega_{m}}}

其中关键参数在ω,它是暗能量压强和暗能量密度的比值,好比一个体积已知的盒子内充满温度未知的空气,如果能测出气体压强和气体密度的比值,就可以算出温度。现在我们知道了ω,就可以算出大撕裂距离我们还有多远。

而从多个研究获得的数据看,大撕裂前几秒,原子、亚原子粒子就会被撕裂;大撕裂前几个月,内太阳系就会分崩离析,地球会摆脱太阳引力;大撕裂前几千万年,银河系的引力已经无法约束系内恒星。

而本超星系团(LSC)的直径大约是3000万秒差距≈1亿光年,假定人类过了1万年后可以实现亚光速航行,但1万年相对1亿年可以忽略不计。所以题主的blank”>问题就变成了:大撕裂之前0.5亿年时,本超星系团是否会开始瓦解。

然后我去查百度百科,里面提到了中国研究员的一篇论文:

里边给出了一个最佳拟合的情况下各级天体被撕裂的大致时间曲线:

作者说此图曲线是best-fit result
拟合此图的公式是:

t_{BR} – t_{tear}/simeq P/frac{/sqrt{2/left| 1+3/left( /omega_{0} – /omega_{a}(1-ln2) /right) /right|}}{6/pi/left| 1+ ( /omega_{0} – /omega_{a}(1-ln2))/right|}

其中:

t_{BR} – t_{tear} 是天体撕裂距离宇宙最终撕裂的时间;

P是距离天体中心R处的公转周期;

/omega_{0}−1.0665_{-0.2993}^{+0.4689}

/omega_{a}−0.0911_{-2.2345}^{13.8399}

其中P需要用到本超星系团的总质量,这个质量应当是包含了暗物质的。

由于/omega_{0}/omega_{a}具有很大的浮动范围,并且不知道图中作者使用的值是多少,但由于 /omega_{0} – /omega_{a}(1-ln2) 在此式中可以视作常数,所以,可以先拟合一下,获取作者使用的值,然后再用该值去反算LSC的数据。

首先写好函数,然后只需要调整omega,使最后算出的秒数能够和图中的点拟合上就可以了。

let lr = 9.4605e15; //1光年的米数;let Msun = 1.989e30; //t太阳质量let calcYears = function(M, R){ let omega = ???; //要拟合的值 let G = 6.67401e-11; //万有引力常数 let pi2 = Math.PI * 2; //2倍π let temp = Math.sqrt(2 * Math.abs(1 + 3 * omega)) / (6 * Math.PI * Math.abs(1 + omega)); let secs = Math.sqrt(Math.pow(R, 3) / (G * M)) * pi2 * temp;//秒数 return secs; //秒数}经过不断调整,拟合到的omega值为 -1.09576723。

//地球:100分钟calcYears(5.965e24, 6371000); // 6000s = 100 min//太阳:3小时calcYears(1.989e30, 6.5e8); // 10707s = 2.97h分别和图中给出的100分钟、3小时吻合得很好!

然后再用这个值试一下拟合银河系,取银河系质量为1.5万亿倍太阳,半径7.5万光年:

calcYears(1.5e12 * Msun, 7.5e4 * lr) / 86400 / 365 / 1e8; // 3.16亿年和图中给出的2.1亿年有些差距,看来作者取的银河系质量会偏大,或者半径偏小。鉴于目前观测到的银河系质量上限也就是1.5万亿倍太阳,所以可能是我的半径偏大了。经多次尝试,得到:

calcYears(1.5e12 * Msun, 5.7e4 * lr) / 86400 / 365 / 1e8; // 2.094亿年2.094亿年,吻合图中的2.1亿年,OK!用到的银河系数据还是在现有数据范围内的,虽然密度显得有点大了。现在可以用omega = -1.09576723来反算本超星系团了。

超星系团的质量一般在10^15到10^17倍太阳质量之间,维基百科给出的LSC的值是10^15。

取本超星系团半径R=0.5e8 lr,得到:

calcYears(1e15 * Msun, 0.5e8 * lr) / 86400 / 365 / 1e8 ; //2107亿年也就是说大撕裂之前2107亿年LSC开始解体。

看到这个数字时我是诧异的,怎么会这么久呢?因为在这篇论文中,给出的最乐观估计的大撕裂时间,距今也只有1039亿年。而在那之前的2107亿年,宇宙都还没诞生呢。

所以我有理由怀疑两点:

  1. 维基给出的LSC质量偏小,有可能没把暗物质算进去;
  2. LSC直径偏大了。

如果是第一点,那么LSC的质量要翻多倍。如果是第二点,那么有一些确定距离在0.5亿光年外的星系团就要被排除在LSC之外了(例如室女座星系团)。星际间暗物质的比例我没有查到,但是

暗物质晕是在银河中心算起的100,000至300,000光年空间内最大的唯一结构,它也是银河系最神秘的部分。目前相信银河系95%的质量都是由暗物质组成的,除了经由重力的作用之外,它似乎与星系内的物质和能量没有任何的交互作用。银河系所有的暗物质似乎都存在于暗物质晕的位置,它是可见恒星、气体和尘埃质量的10倍以上。明亮物质的总质量大约是900亿太阳质量,暗物质晕的暗物质总质量大约是6,000亿至3兆太阳质量

银河系如此,推想其它星系质量大约也是如此。所以让质量直接翻10倍:

calcYears(1e16 * Msun, 0.5e8 * lr) / 86400 / 365 / 1e8; // 666.6亿年666.6亿年!md真是6啊!鸽子为什么这么大!好吧,那么我们就直接考虑对人类最有利的情况,也就是说从现在到大撕裂,所需的时间是最长的1035亿年!

也就是说,在最好的情况下,距今1035 – 666 = 369亿年后,大撕裂才会影响到本超星系团!

有点不服。于是回去翻论文,找到了最坏的情况:

在95.4%的置信区间内,大撕裂离我们只有167亿年
然后根据这个表格来重新拟合omega!

得到:

var lr = 9.4605e15; //1光年的米数;var Msun = 1.989e30; //t太阳质量var calcYears = function(M, R){ let omega = -1.846776723; let G = 6.67401e-11; //万有引力常数 let pi2 = Math.PI * 2; //2倍π let temp = Math.sqrt(2 * Math.abs(1 + 3 * omega)) / (6 * Math.PI * Math.abs(1 + omega)); let secs = Math.sqrt(Math.pow(R, 3) / (G * M)) * pi2 * temp;//秒数 return secs; //秒数}calcYears(5.965e24, 6371000); //956s = 16m;calcYears(1.989e30, 6.5e8); // 1706s = 28.4m;calcYears(1.5e12 * Msun, 5.7e4 * lr) / 86400 / 365 / 1e8; // 0.334亿年 基本符合表格数据!ok!重新来算一下LSC!

calcYears(1e16 * Msun, 0.5e8 * lr) / 86400 / 365 / 1e8; //106亿年也就是说,在最糟糕的情况下,距今167 – 106 = 61亿年后,大撕裂会开始影响LSC。

彻底软了。

好吧,认数据,总结一下,那就是:

  • 即使考虑宇宙加速膨胀,只要人类能够在61 – 0.5 = 60.5 ≈ 60亿年内掌握亚光速航行,就可以离开本超星系团;
  • 如果考虑对人类最有利的情况,那么只要人类在369 – 0.5 ≈ 368亿年内掌握亚光速航行,就可以happy地飞出LSC了,甚至还有时间去隔壁超星系团串个门!


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