又一年,又在宇宙中穿梭了 200 億公里

我們生活在一個自轉並繞軌道執行的世界中,但我們通常不會考慮我們在宇宙中其他更宏大的運動——也許我們應該考慮一下

(M101,NASA,ESA,CXC,SSC 和 STScI)

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本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點


又一年過去了。又完成了 365 次行星自轉(如果你住在地球赤道,總共行駛了 1460 萬公里),以及又一次繞太陽 9.4 億公里的旅程。時間對我們來說被一系列很大程度上可預測的,即使不是乏味的週期所標記。

但是,這絕不是我們在過去 3150 萬秒內完成的全部宇宙旅行。

首先,太陽系相對於其宿主星系並非靜止不動。太陽及其行星隨從正在銀河系內沿軌道路徑移動。關於這種運動,通常引用的性質是,我們正以每秒約 220 公里的速度繞銀河系中心執行,但還伴隨著垂直於此的額外的“擺動”或正弦運動。換句話說,太陽系在銀河系平面“中”上下蜿蜒,同時大約每 2.2 億至 2.5 億年完成一個完整的迴環。


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太陽系在銀河系中上下運動的路徑長期以來一直引起科學家的興趣,因為它可能具有大約 2000 萬到 6000 萬年的週期。這個週期與地球上明顯間隔的滅絕事件或彗星和小行星轟擊增強事件的各種說法相當。

但事實是——通常情況下——關於我們穿過銀河系平面與地球上發生的事件之間是否存在聯絡,陪審團仍在激烈爭論。事實上,我們真的甚至不知道在過去的 40 億年中,我們太陽系精確的上下運動是什麼樣的。銀河系不是一個簡單的、平滑的質量分佈。它有腫塊,並且還有其他恆星物體在周圍嗡嗡作響,因此我們還沒有足夠好的模型來以任何真正的精度確定我們過去的銀河系軌跡——儘管有人這麼說。

將尺度稍微放大一點;銀河系和仙女座星系正以大約每秒 110 公里的速度相互靠近,距離約為 250 萬光年。因此,在過去一年中,我們離大約 40 億年後可能發生的星系碰撞又近了約 35 億公里。與此同時,在我們周圍,我們本星系群的其他 54 個或更多星系繼續作為一個引力束縛系統聚集在一起,抵抗宇宙膨脹的暗流。

但這些都是狹隘的運動,有點像在一個小村莊裡發生的來回走動。所有這些自轉、軌道、環繞和墜落都無法讓我們在長期內到達任何地方,我們只是在我們自己的引力鍋裡燉著。那麼我們在更大的宇宙框架中的旅程呢?

評估這種位移的障礙在於,在膨脹且無中心的時空巨大尺度上,絕對運動的概念不是很有用。如果我們關心衡量在宇宙中的進展,那麼我們實際上是相對於什麼在運動?

有一個有用的衡量標準。宇宙中充滿了輻射,光子在太空中無休止地飛馳。這些光子來自恆星、超新星、類星體、冷卻的熱氣體和許多其他來源。特別是,在任何時刻,宇宙中每立方厘米平均包含約 400 個宇宙微波背景光子,它們有效地朝隨機方向運動。這片古老的光子海洋可以作為感知我們運動的工具。微波輻射的藍移和紅移使我們能夠構建一張反映我們在太空中穿梭的天空圖。

鑑於我們非常清楚地球繞太陽的運動,以及太陽繞我們銀河系中心的運動,並且對銀河系相對於我們本星系群中其他星系的運動有一定的瞭解,我們可以將這些速度分解出來,並推匯出我們星系際鄰域相對於宇宙微波背景的真實漂移。

答案是,包含銀河系、仙女座星系以及所有伴隨的、引力束縛星系的宇宙區域,正以大約每秒 627 公里的速度朝著從我們的角度來看接近半人馬座的方向移動。因此,在一個地球年的過程中,我們在宇宙中“穿梭”了約 200 億公里。

為什麼會發生這種情況?簡而言之,這是因為宇宙中物質的分佈實際上並不均勻——至少在至少數億光年的尺度上不是均勻的。我們被大量的更遠的星系、星系團和超星系團所包圍。我們本星系群運動的方向是由所有這些物質分佈的淨引力決定的,而這是有些不平衡的——所以我們正沿著所有這些引力的向量和的方向墜落。

造成這種情況的物質分佈的精確細節——大規模宇宙結構——仍然不清楚,儘管像包含數萬個星系的夏普利超星系團等區域也參與其中。我們很可能尚未調查負責星系(以及因此物質)的完整分佈。我們可能需要向外延伸數十億光年,才能解釋作用於我們區域性區域的所有“拉力”。

我們最終會到達這些區域,擁抱環繞我們的不規則宇宙網路嗎?不,看來我們以目前的速度不會到達。宇宙無情的(且加速的)膨脹將阻止這種相遇,最終隔離我們的小島。

的確,雖然我們可以測量到我們在過去一年中穿越了 200 億公里的宇宙,但在同一時期,任何一億光年以外的地方都會進一步遠離我們約 2000 億公里。 

這種宇宙對任何進步希望的漠不關心可能會讓我們感到有點沮喪。又一年過去了,又一次繞太陽執行,我們又回到了一個非常非常類似於我們離開的地方,而且情況將繼續如此。

但是,我們的大腦已經弄清楚了所有這一切,從地球的自轉到我們在宇宙光子海洋中的適度穿梭,這本身就很了不起。無論在整個可觀測宇宙中的其他任何地方是否存在其他有情眾生,在這裡,在短暫的瞬間,我們可以敬畏地凝視著允許我們存在的宇宙又在宇宙中穿梭了 200 億公里可能代表著某種宇宙的徒勞,但至少這是一段屬於我們的旅程。

 

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