科學好故事|在宇宙中,我們的運動速度有多快?

2022年04月14日09:40
地球繞著地軸自轉,並繞著太陽公轉,而太陽又以每秒數百千米的速度繞銀河系中心運轉。在銀河系附近,太陽和其他恒星圍繞銀河系中心的速度的不確定度約為10%(約20千米/秒),這是計算我們在宇宙中累積運動時最大的不確定性因素。
地球繞著地軸自轉,並繞著太陽公轉,而太陽又以每秒數百千米的速度繞銀河系中心運轉。在銀河系附近,太陽和其他恒星圍繞銀河系中心的速度的不確定度約為10%(約20千米/秒),這是計算我們在宇宙中累積運動時最大的不確定性因素。

  地球不僅在繞著自己的軸旋轉,也圍繞著太陽旋轉,同時隨著銀河系移動,並被銀河繫帶向更深遠的太空中。

  無論從哪個角度看,地球都在時刻不停地運動著。這顆藍色星球圍繞著自轉軸不停旋轉,大約每天旋轉一圈。在自轉的同時,地球也圍繞太陽旋轉,每年完成近10億千米的旅程。此外,整個太陽系——包括太陽、各大行星及其衛星等——都處於銀河系當中,以比人類存在時間更長的時間尺度繞銀河系中心運行。最後,銀河繫在本星系群之內移動,而本星系群本身又在星系際空間中移動。

  根據對相對運動的測量,我們可以量化地球在宇宙中移動的速度。儘管在地球上,我們所做的實驗幾乎無法探測到地球的運動,但通過對宇宙的觀察,我們能夠精確地瞭解地球在不同尺度上的運動。

這張地球的照片是由美國國家航空航天局(NASA)的信使號探測衛星提供的。為了以最少的燃料到達最終目的地水星,信使號在地球和金星附近進行了多次近距離飛越。地球是旋轉的球形,具有很鮮明的特點。這種旋轉解釋了為什麼地球在中部凸起,在兩極壓縮,赤道和極地位置的直徑並不一致。
這張地球的照片是由美國國家航空航天局(NASA)的信使號探測衛星提供的。為了以最少的燃料到達最終目的地水星,信使號在地球和金星附近進行了多次近距離飛越。地球是旋轉的球形,具有很鮮明的特點。這種旋轉解釋了為什麼地球在中部凸起,在兩極壓縮,赤道和極地位置的直徑並不一致。

  地球自轉有多快?

  這個問題似乎看起來很簡單,但其實有著不同的答案,取決於你在地球表面的確切位置。地球可以視為一個剛體,這意味著隨著時間的推移,某個陸塊相對於其他陸塊會保持相對恒定的狀態。地球繞自轉軸旋轉,其表面幾乎每一個點完成一次完整自轉的時間都不到24小時,準確地說,是23小時56分4.09秒。

  我們之所以給一天分配24小時,是因為地球圍繞太陽的運動改變了地球相對於前一天開始時的相對位置。事實上,地球不只是圍繞自轉軸旋轉,還圍繞著太陽旋轉。這些額外的運動使得我們的星球需要旋轉360度多一點才能從日出到日出,或從日落到日落。

  人們常說地球的半徑約為6371千米,但這隻是平均半徑。在現實中,地球不僅有山脈、山穀和海洋等局部地形特徵,而且作為一個整體,地球在赤道處隆起,在兩極則略有壓縮。處於休眠狀態的欽博拉索山(位於厄瓜多爾中部)是距地球中心最遠的地方,距離達到6384.4千米,而北極的海平面距離地球中心只有6356千米。

  不過,整個地球在不到24小時的時間間隔內完成一次360度的旋轉,意味著在地球赤道(0度緯線)上的人運動距離最遠,達到每小時1676千米;隨著緯度越高,你隨地球旋轉的運動就較慢。在南北緯45度的人移動的速度只有1183千米/小時,而在北極或南極的人根本不會移動;他們只是簡單地完成一次旋轉,始終保持在地球的地理極點上。

地球繞太陽公轉一週的距離是9.4億千米。每一天,地球在太空中會多走300萬千米,這使得地球繞地軸旋轉360度的同時,太陽每天在天空中的相對位置不會保持不變。這就是我們的一天比地球旋轉360度所需的23小時56分鐘還要長的原因。
地球繞太陽公轉一週的距離是9.4億千米。每一天,地球在太空中會多走300萬千米,這使得地球繞地軸旋轉360度的同時,太陽每天在天空中的相對位置不會保持不變。這就是我們的一天比地球旋轉360度所需的23小時56分鐘還要長的原因。

  地球是一顆繞地軸旋轉的行星,這一事實引出了一些有趣的結果:

  (1)重力加速度在高緯度地區略強,因為越靠近地心,加速度越大。換言之,你在兩極的速度會比在赤道的速度快0.5%。

  (2)地球赤道的運動速度更快,意味著你越接近0°緯線,發射物體到太空所需的能量就越少,這就是地球上幾乎只選擇熱帶地區進行火箭發射的原因。

  (3)月球和太陽引力導致的潮汐作用,意味著地球會隨著時間推移產生輕微的“刹車”效應。每過一年,地球一日就比上一年增加約14納秒(1納秒等於十億分之一秒)。將時間推回到大約40億年前,在太陽系的早期階段,地球的自轉速度要比現在快3到4倍,意味著當時一天只有6到8小時,而不是24小時。

地球繞太陽運行的軌道不是一個完美的圓,而是一個橢圓形。地球的偏心率,也就是公轉軌道“長軸”和“短軸”之間的差值,會隨著時間的推移而變化。地球離太陽越近,相對於太陽的運動越快;離太陽越遠,相對於太陽的運動越慢。
地球繞太陽運行的軌道不是一個完美的圓,而是一個橢圓形。地球的偏心率,也就是公轉軌道“長軸”和“短軸”之間的差值,會隨著時間的推移而變化。地球離太陽越近,相對於太陽的運動越快;離太陽越遠,相對於太陽的運動越慢。

  地球繞太陽轉的速度有多快?

  由於自轉,地球表面上的點最快可以達到每小時1676千米的速度,相當於每秒0.47千米。但與地球繞太陽公轉的速度相比,自轉速度可以忽略不計。

  地球與太陽的距離約為1.5億千米,在這種情況下,太陽的質量決定了一顆行星——或任何一顆衛星——需要以多快的速度運動,才能保持在一個穩定的、接近圓形的軌道上。平均而言,這個速度接近每秒30千米;當地球從離太陽最近的點(近日點)移動到離太陽最遠的點(遠日點)時,它的實際速度一直在變化。地球運行最快時,速度為30.29千米/秒;運行最慢時,速度僅為29.29千米/秒,二者相差約3%。

  更靠近太陽的行星運行速度更快,其中以水星的運行速度最快,約為47千米/秒;在地球之外,距離太陽越遠的行星運行速度越慢,一直到海王星,其運行速度僅為5.4千米/秒。不過,正如地球繞太陽公轉的速度遠遠超過地球自轉的速度一樣,其他宇宙運動也遠遠超過地球的公轉速度。

行星圍繞太陽運行的精確模型,與此同時,太陽以另一個方向在星系中運動。每顆行星與太陽的距離決定了它所接收到的總輻射量和能量,但這並不是決定行星溫度的唯一因素。
行星圍繞太陽運行的精確模型,與此同時,太陽以另一個方向在星系中運動。每顆行星與太陽的距離決定了它所接收到的總輻射量和能量,但這並不是決定行星溫度的唯一因素。

  太陽繫在銀河系中移動的速度有多快?

  如果太陽質量更大,這些行星就需要以更快的速度繞軌道運行,才能保持當前的位置;這一切都是由萬有引力的本質決定的。銀河系本身就包含了數千億顆恒星,所有這些恒星及其恒星系也都在引力的作用下不停運轉。即使我們所處的位置距離銀河系中心相當遙遠——將近27000光年——但無論是太陽,還是鄰近的其他恒星,都被拉進了圍繞銀河系的橢圓軌道中。

  繞銀河系公轉一圈需要相當長的時間:大約在2.2億年到2.5億年之間。換句話說,當我們上一次處於相對於銀河系中心的這個位置時,第一批恐龍才剛剛開始出現。

  據估計,太陽繞銀河系的速度約為220千米/秒,大約是地球繞太陽公轉速度的7倍。這個數字中有大約20千米/秒是不確定的,因為我們只知道地球在銀河系中移動的速度有多快,精度約為10%。這個約20千米/秒的值,也近似於科學家觀測到的鄰近恒星相對於我們的運動速度。地球(作為太陽系的一部分)在宇宙中以各種不同的方式運動,而其在銀河系中的運動有著最大的不確定性。

太陽繞銀河系中心運行的軌道在銀河系平面內,其與銀河中心的距離大約25000到27000光年。但是,太陽系中行星的軌道方向與銀河系並不一致。就目前所知,在恒星系統中,行星的軌道平面是隨機的,通常與中心恒星的旋轉面對齊,但也會隨機地與銀河系平面對齊。
太陽繞銀河系中心運行的軌道在銀河系平面內,其與銀河中心的距離大約25000到27000光年。但是,太陽系中行星的軌道方向與銀河系並不一致。就目前所知,在恒星系統中,行星的軌道平面是隨機的,通常與中心恒星的旋轉面對齊,但也會隨機地與銀河系平面對齊。

  同樣值得指出的是,行星圍繞太陽的運動並不完全與太陽和太陽繫在星系中的運動一致。儘管太陽系環繞銀河中心運行的軌道大約在銀河平面上——銀河系的盤狀平面直徑超過100000光年,但厚度只有大約2000光年厚——但行星本身圍繞太陽運轉的軌道平面(黃道面)與銀河系平面呈60度的傾角。

  因此,根據地球與太陽系穿過銀河系的方向是相同還是相反,就可以計算出我們在地球上穿過銀河系的累積運動速度,從208到237千米/秒不等。在一年的時間里,這一速度值會發生變化。儘管太陽系本身毫無疑問在圍繞銀河系中心進行橢圓運動,但這個軌道的偏心程度(離銀河系中心最近和最遠的距離之間有多大差別)還沒有很確切的數值。儘管這個值可能略低於10%,但事實是,與其他恒星的近距離接觸(每百萬年隨機發生幾次)正在不斷改變太陽繫在銀河系中的軌道參數。

  這樣一個混亂的環境,似乎可以用一句古老的丹麥諺語來描述,那就是“很難做出預測,尤其是關於未來的預測”。

這一系列的照片展示了銀河系和仙女座星系合併的過程,以及從地球上看到的天空景象。當這兩個星系合併時,它們的超大質量黑洞也有望完全合併在一起。目前,銀河系和仙女座星系正以109千米/秒的相對速度向對方移動。
這一系列的照片展示了銀河系和仙女座星系合併的過程,以及從地球上看到的天空景象。當這兩個星系合併時,它們的超大質量黑洞也有望完全合併在一起。目前,銀河系和仙女座星系正以109千米/秒的相對速度向對方移動。

  銀河繫在本星系群中移動的速度有多快?

  兩個大質量物體之間的引力強度決定了它們在相互影響下向彼此加速運動的程度,而這種加速,隨著時間的推移,會導致這些質量在宇宙空間中快速移動。即使在地球繞著地軸自轉,繞著太陽公轉,同時整個太陽繫在圍繞銀河系公轉時,也有更大的宇宙運動在起作用。離我們最近的例子便是所謂的本星系群,銀河系是其中大約60個獨立星系中第二大的,而它們都被捆綁在一起。

  本星系群中規模最大、質量最大的星系是仙女座星系,距離我們大約250萬光年,其質量可能是銀河系的兩倍。仙女座星系太遙遠了,我們無法精確測量它的位置如何隨時間變化——至少在人類的時間尺度上是這樣——但我們可以測量它在視線範圍內的速度。根據天文學家觀測到的宇宙光譜線的藍移,我們可以知道仙女座星系正以301千米/秒的速度向太陽系移動。

  考慮到太陽在銀河系中移動的方向和速度,我們可以確定銀河系和仙女座星系正以109千米/秒的速度相向而行;換言之,我們正處在這兩個星系碰撞的過程當中,大約40億年後,一場偉大的星系合併將會揭開序幕。

室女座超星系團的各個星系聚集在一起。在最大的尺度上,宇宙是均勻的,但當你觀察星系或星團尺度時,會發現同時存在著過密集區域和低密度區域。
室女座超星系團的各個星系聚集在一起。在最大的尺度上,宇宙是均勻的,但當你觀察星系或星團尺度時,會發現同時存在著過密集區域和低密度區域。

  本星系群穿越星系際空間的速度有多快?

  最後,只有當我們繪製出宇宙中完整的星系群、星系團、超星系團以及更大的結構時,我們才能探測到最宏大的尺度。在鄰近的宇宙中,另一些巨大的物體也在向我們施加作用。低密度區域(underdense region)失去了曾經擁有的物質,其周圍更加密集的區域獲得了這些物質;因此,低密度區域正以一種低於宇宙平均水平的力拉扯著我們,其本質上施加了一種排斥的效應。

  本星系群屬於範圍更大的室女座超星系團,後者也是本星系群周圍的大部分引力的來源。相對於其他宇宙運動,室女座超星系團吸引著我們以大約300千米/秒的速度向其移動。然而,在天空的另一邊,與室女座超星系團中心相對的,是一個明顯密度較低的空間區域。具有大質量的空間區域被稱為星系團,這些低密度的區域則被稱為空洞(void);鄰近宇宙中的空洞也以大約300千米/秒的速度將我們排斥出去。

  因此,我們的一邊是擁有大量星系、質量巨大的超星系團,另一邊則是一個稀疏的、物質貧乏的空洞,吸引的力和排斥的力都指向同一個方向,導致本星系群的淨運動速度約為每秒600千米。

由於物質在整個宇宙中大致均勻分佈,不僅是過密集的區域會影響地球的運動,低密度的區域也會產生影響。科學家最近才發現了一種被稱為“偶極排斥器”的性質,可以解釋本星系群相對於宇宙中其他物體的奇特運動。
由於物質在整個宇宙中大致均勻分佈,不僅是過密集的區域會影響地球的運動,低密度的區域也會產生影響。科學家最近才發現了一種被稱為“偶極排斥器”的性質,可以解釋本星系群相對於宇宙中其他物體的奇特運動。

  那麼,我們在空間中的運動速度累積起來是多少呢?

  將所有這些運動綜合在一起:

  ·地球繞地軸自轉;

  ·地球繞著太陽公轉;

  ·太陽在銀河系中移動;

  ·銀河系向仙女座星系移動;

  ·本星系群被鄰近的過密集區域所吸引,被鄰近的低密度區域所排斥。

  我們就可以得到一個值,表示我們在任何給定時刻在宇宙中移動的速度。

  總體而言,我們在太空中的運動速度總和約為368千米/秒,朝著一個特定的方向:獅子座。在一年的時間里,這一數值的變化幅度可達每秒30千米,主要是由於地球圍繞太陽公轉運動的變化。對宇宙微波背景輻射的測量證實了這一點:宇宙微波背景輻射在我們移動的方向(獅子座)上更熱,而在相反的方向(遠離水瓶座)上更冷。

雖然宇宙微波背景在所有方向上都具有大致相同的溫度,但在一個特定的方向上,卻存在1/800的偏差:這與我們在宇宙中的運動是一致的。在宇宙微波背景輻射自身振幅的整體幅度為1/800的量級時,對應的是1/800光速的運動速度,相對於太陽大約是368千米/秒。
雖然宇宙微波背景在所有方向上都具有大致相同的溫度,但在一個特定的方向上,卻存在1/800的偏差:這與我們在宇宙中的運動是一致的。在宇宙微波背景輻射自身振幅的整體幅度為1/800的量級時,對應的是1/800光速的運動速度,相對於太陽大約是368千米/秒。

  忽略每年公轉運動的變化,我們可以確定太陽相對於宇宙微波背景的運動速度為368千米/秒,這個數值的不確定度僅為±2千米/秒。綜合目前所有的測量結果,我們可以計算出本星系群相對於周圍宇宙大尺度結構的運動速度:627±22千米/秒,向半人馬座的方向移動。±22千米/秒的不確定度幾乎完全是由於太陽繞銀河系中心運動的不確定度造成的,這是我們累積運動中最難測量的部分。

  如果想知道地球在宇宙中移動的速度,我們就必須先回答一個問題:“相對於什麼移動?”你是在問地球自身的旋轉速度,還是它相對於太陽的運動速度?抑或是相對於銀河系或本星系群,還是宇宙的其他大尺度結構?或者大爆炸本身剩下的光:宇宙微波背景?

  在整個宇宙中,沒有什麼是靜止不變的,也沒有什麼是孤立存在的。今天,科學家已經對我們在不同尺度宇宙中的移動有所瞭解。在未來,當我們擁有一張更高清晰度的銀河系地圖時,或許就能夠預測我們未來在宇宙中的運動,其精度將是目前無法想像的。(任天)

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