又一年,又在宇宙中穿梭了 200 亿公里

我们生活在一个自转并绕轨道运行的世界中,但我们通常不会考虑我们在宇宙中其他更宏大的运动——也许我们应该考虑一下

(M101,NASA,ESA,CXC,SSC 和 STScI)

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


又一年过去了。又完成了 365 次行星自转(如果你住在地球赤道,总共行驶了 1460 万公里),以及又一次绕太阳 9.4 亿公里的旅程。时间对我们来说被一系列很大程度上可预测的,即使不是乏味的周期所标记。

但是,这绝不是我们在过去 3150 万秒内完成的全部宇宙旅行。

首先,太阳系相对于其宿主星系并非静止不动。太阳及其行星随从正在银河系内沿轨道路径移动。关于这种运动,通常引用的性质是,我们正以每秒约 220 公里的速度绕银河系中心运行,但还伴随着垂直于此的额外的“摆动”或正弦运动。换句话说,太阳系在银河系平面“中”上下蜿蜒,同时大约每 2.2 亿至 2.5 亿年完成一个完整的回环。


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太阳系在银河系中上下运动的路径长期以来一直引起科学家的兴趣,因为它可能具有大约 2000 万到 6000 万年的周期。这个周期与地球上明显间隔的灭绝事件或彗星和小行星轰击增强事件的各种说法相当。

但事实是——通常情况下——关于我们穿过银河系平面与地球上发生的事件之间是否存在联系,陪审团仍在激烈争论。事实上,我们真的甚至不知道在过去的 40 亿年中,我们太阳系精确的上下运动是什么样的。银河系不是一个简单的、平滑的质量分布。它有肿块,并且还有其他恒星物体在周围嗡嗡作响,因此我们还没有足够好的模型来以任何真正的精度确定我们过去的银河系轨迹——尽管有人这么说。

将尺度稍微放大一点;银河系和仙女座星系正以大约每秒 110 公里的速度相互靠近,距离约为 250 万光年。因此,在过去一年中,我们离大约 40 亿年后可能发生的星系碰撞又近了约 35 亿公里。与此同时,在我们周围,我们本星系群的其他 54 个或更多星系继续作为一个引力束缚系统聚集在一起,抵抗宇宙膨胀的暗流。

但这些都是狭隘的运动,有点像在一个小村庄里发生的来回走动。所有这些自转、轨道、环绕和坠落都无法让我们在长期内到达任何地方,我们只是在我们自己的引力锅里炖着。那么我们在更大的宇宙框架中的旅程呢?

评估这种位移的障碍在于,在膨胀且无中心的时空巨大尺度上,绝对运动的概念不是很有用。如果我们关心衡量在宇宙中的进展,那么我们实际上是相对于什么在运动?

有一个有用的衡量标准。宇宙中充满了辐射,光子在太空中无休止地飞驰。这些光子来自恒星、超新星、类星体、冷却的热气体和许多其他来源。特别是,在任何时刻,宇宙中每立方厘米平均包含约 400 个宇宙微波背景光子,它们有效地朝随机方向运动。这片古老的光子海洋可以作为感知我们运动的工具。微波辐射的蓝移和红移使我们能够构建一张反映我们在太空中穿梭的天空图。

鉴于我们非常清楚地球绕太阳的运动,以及太阳绕我们银河系中心的运动,并且对银河系相对于我们本星系群中其他星系的运动有一定的了解,我们可以将这些速度分解出来,并推导出我们星系际邻域相对于宇宙微波背景的真实漂移。

答案是,包含银河系、仙女座星系以及所有伴随的、引力束缚星系的宇宙区域,正以大约每秒 627 公里的速度朝着从我们的角度来看接近半人马座的方向移动。因此,在一个地球年的过程中,我们在宇宙中“穿梭”了约 200 亿公里。

为什么会发生这种情况?简而言之,这是因为宇宙中物质的分布实际上并不均匀——至少在至少数亿光年的尺度上不是均匀的。我们被大量的更远的星系、星系团和超星系团所包围。我们本星系群运动的方向是由所有这些物质分布的净引力决定的,而这是有些不平衡的——所以我们正沿着所有这些引力的矢量和的方向坠落。

造成这种情况的物质分布的精确细节——大规模宇宙结构——仍然不清楚,尽管像包含数万个星系的夏普利超星系团等区域也参与其中。我们很可能尚未调查负责星系(以及因此物质)的完整分布。我们可能需要向外延伸数十亿光年,才能解释作用于我们局部区域的所有“拉力”。

我们最终会到达这些区域,拥抱环绕我们的不规则宇宙网络吗?不,看来我们以目前的速度不会到达。宇宙无情的(且加速的)膨胀将阻止这种相遇,最终隔离我们的小岛。

的确,虽然我们可以测量到我们在过去一年中穿越了 200 亿公里的宇宙,但在同一时期,任何一亿光年以外的地方都会进一步远离我们约 2000 亿公里。 

这种宇宙对任何进步希望的漠不关心可能会让我们感到有点沮丧。又一年过去了,又一次绕太阳运行,我们又回到了一个非常非常类似于我们离开的地方,而且情况将继续如此。

但是,我们的大脑已经弄清楚了所有这一切,从地球的自转到我们在宇宙光子海洋中的适度穿梭,这本身就很了不起。无论在整个可观测宇宙中的其他任何地方是否存在其他有情众生,在这里,在短暂的瞬间,我们可以敬畏地凝视着允许我们存在的宇宙又在宇宙中穿梭了 200 亿公里可能代表着某种宇宙的徒劳,但至少这是一段属于我们的旅程。

 

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