我們知道地球在太陽系中是如何運(yùn)動的,也知道我們在銀河系中是怎樣運(yùn)動的,那么我們在宇宙中是怎樣運(yùn)動的?
地球在太陽系和銀河系中的運(yùn)動
我們生活在地球上,萬有引力把我們牢牢的束縛在地球表面,當(dāng)我們坐著或者躺下來休息的時(shí)候,通常會認(rèn)為自己靜止不動,然而當(dāng)我們走出地球,在太陽系的層面上,我們會看到地球就像一艘宇宙飛船,正在以極高的速度在太陽系中飛馳。
首先,地球每時(shí)每刻都在繞軸自轉(zhuǎn),在其赤道上的線速度達(dá)到了1700公里/小時(shí)的速度。
1700公里/小時(shí)!這個(gè)速度對我們?nèi)祟惖娘w行器來說已經(jīng)相當(dāng)快了,但在宇宙的層面的并不怎么快。如果我們小時(shí)換算成秒,地球的自轉(zhuǎn)速度就會變成每秒0.5公里。
地球除了自轉(zhuǎn),還跟太陽系的其他星球一起,繞母恒星公轉(zhuǎn)。地球?yàn)榱丝朔柕囊?,保持其穩(wěn)定的軌道,公轉(zhuǎn)速度達(dá)到了30千米/秒,這比它的自轉(zhuǎn)要快的多。在地球軌道內(nèi)部的行星,例如:金星和水星,它們的公轉(zhuǎn)速度更快,因?yàn)橐Ω?,而地球軌道外部的所有行星由于離太陽遠(yuǎn),所以公轉(zhuǎn)的就相對較慢。
以上就是太陽系運(yùn)動的樣子,但是太陽也不是鼓勵的存在與宇宙中,而是身處在更大的結(jié)構(gòu)銀河系中,為了使得銀河系這樣的大結(jié)構(gòu)跟太陽系一樣穩(wěn)定,銀河系也必須旋轉(zhuǎn),不然就會因?yàn)橐μs在一起。
所以巨大的銀河系也在運(yùn)動,它里面的所有恒星、行星、氣體、塵埃、黑洞、暗物質(zhì)以及你能想到的任何物質(zhì)都在銀河系內(nèi)部運(yùn)動,這些物質(zhì)都會給銀河系提供一個(gè)凈引力,而且它們的運(yùn)動也會受到所有物體引力的影響。這時(shí)一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng),因?yàn)榘奈镔|(zhì)是在太多了。
我們太陽系可以說處在銀河系的郊區(qū),離銀河系中心25000光年,這個(gè)位置并不是那么的嘈雜和繁華,相對來說一些異常天體的活動比較少,物質(zhì)密度也小,所以就更加安全。
太陽系繞銀河系中心運(yùn)行的軌道也是一個(gè)橢圓形的軌道,周期為2.2 - 2.5億年左右,在這段漫長的旅途中,太陽的運(yùn)動速度為每秒220公里,這比地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)也快的多。
那么,我們可以把地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),以及太陽的公轉(zhuǎn)疊加在一起,就能知道我們身處在地球上,是如何在銀河系中運(yùn)動的。
上圖其實(shí)是對太陽系運(yùn)動最準(zhǔn)確的描述,有些動圖會出現(xiàn)外行星滯后內(nèi)行星的情況,這其實(shí)是不對的。太陽系的行星基本都處在同一平面的上,并且我們太陽系的軌道平面還跟銀河系平面有一個(gè)60°的夾角,上圖也體現(xiàn)了出來。
銀河系在宇宙中的運(yùn)動
那么銀河系除了自轉(zhuǎn)在宇宙中是靜止不動嗎?絕對不可能,因?yàn)槲覀兊你y河系在宇宙中也不是一個(gè)孤立的場星系,而是身處在一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)中。因?yàn)樵谟钪嫖镔|(zhì)結(jié)構(gòu)形成的過程中,基本上所有的大質(zhì)量物質(zhì)都會在引力的主導(dǎo)下,相互靠攏,并加速,有些合并在了一起形成更大的星系,而有些就會相對運(yùn)動形成各大的集合。
在整個(gè)宇宙138億年的歷史上,所有的物質(zhì)結(jié)構(gòu)都會移動、聚集,最終從一個(gè)物質(zhì)分布介乎均勻的宇宙變成了一個(gè)具有團(tuán)塊、集群、和星系結(jié)構(gòu)豐富的宇宙。
那么在大尺度上,物質(zhì)結(jié)構(gòu)對我們銀河系的運(yùn)動有什么影響?
銀河系也會跟我們的地球一樣被周圍物質(zhì)的引力所影響,包括周圍的星系、星期群和星系團(tuán)。也就是說,銀河系周圍最近、質(zhì)量最大的物體會直接影響銀河系在宇宙中的運(yùn)動。而所有的臨近星系也一樣,都會彼此在引力的作用下運(yùn)動。
目前我們已經(jīng)很精確的繪制出了銀河系周圍的一些星系和星系團(tuán),對我們銀河系在宇宙中的運(yùn)動有了更多的理解。
但是如果我們想要真正了解銀河系在宇宙中的運(yùn)動,僅僅是通過附近星系的引力影響是難以推斷出銀河系在宇宙中的運(yùn)動速度,因?yàn)榇蠹叶荚趧?,我們要以誰為參考,判定銀河系的運(yùn)動呢?所以我們必須找到一個(gè)靜止的參考系。
靜止的參考系,告訴了我們在宇宙中的運(yùn)動情況
不論我們看天空中的任何一個(gè)地方,都能看到大爆炸留下的2.725K背景輻射,雖然在在微波輻射中的各個(gè)區(qū)域都有微小的溫度波動(大約100微開爾文),但是在天空中除了被銀河系平面阻擋的地方,其他的所有區(qū)域溫度都是相同的:2.725K。
產(chǎn)生這樣充滿全天空的輻射是因?yàn)樵?38億年前,大爆炸的熱狀態(tài)就已經(jīng)充滿了整個(gè)宇宙,并一直在漫長的歷史中膨脹和冷卻。
在微波輻射形成之前,也就是宇宙誕生到38萬年間,由于宇宙溫度太高,光在會電離任何形成的中性原子,所以這時(shí)的宇宙是一個(gè)電離的狀態(tài),但是隨著宇宙空間的擴(kuò)張,光子紅移損失能量后,宇宙冷卻中性原子才能形成。
在CMB發(fā)射之前的電離等離子體(L),然后是向一個(gè)對光子透明的中性宇宙(R)的過渡。
當(dāng)中性原子形成以后,光子就可以在宇宙中自由的沿直線傳播了,經(jīng)過漫長的旅程就達(dá)到了我們現(xiàn)在的地球。
按理說微波輻射在全天空是均勻的,但事實(shí)上,我們觀察到的微波輻射并不是完全一致的2.725K,而是天空的一半?yún)^(qū)域到另外一半?yún)^(qū)域存在細(xì)微的差別。一邊看起來稍微能熱一點(diǎn),而另外一遍稍微冷一點(diǎn)。
微波輻射是覆蓋了全天空的圖案,這說明宇宙的一半是熱的,一半是冷的?這顯然不可能。
雖然熱的一面是2.728 K,而冷的一面的2.722 K,看起來相差不大,但是這個(gè)溫度波動比其他尺度上的波動高了100倍左右。
為什么能在這么大的尺度上產(chǎn)生比尺度更大的波動呢?
答案肯定不是宇宙一半熱,一半冷,當(dāng)然這也不屬于宇宙微波背景上的真實(shí)波動。
其實(shí)還有一種效應(yīng)可以讓微波輻射的光子在一個(gè)方向上更熱,一個(gè)方向上更冷,那么就是運(yùn)動!
這其實(shí)就是多普勒效應(yīng),向光源移動,光的能量會增加;遠(yuǎn)離光源,能量就會降低。
所以微波輻射一半熱、一半冷的原因并不是宇宙本身的原因,而是我們在太空中運(yùn)動的問題。由于微波輻射背景是絕對靜止的。所以我們就可以通過微波輻射的紅移知道我們在宇宙中的運(yùn)動速度。
我們知道太陽系在銀河系中運(yùn)動,銀河系在本地星系群中運(yùn)動,本地星系群也在運(yùn)動,根據(jù)微波輻射的紅移我們發(fā)現(xiàn),地球相對于CMB的運(yùn)動速度是627±22千米/秒。這也是我們相對于宇宙空間的運(yùn)動速度。
相對論告訴我們,宇宙中沒有一個(gè)絕對通用的靜止參考系,但是大爆炸還是給了我們一個(gè)微波背景輻射。就算宇宙在膨脹,但微波輻射背景相對于空間也是靜止的。在宇宙中,每一個(gè)星系都有一個(gè)“特殊速度”,也就是因?yàn)榭臻g膨脹帶來的速度,但是星系相對于本地的空間和微波輻射并沒有因?yàn)榕蛎浂\(yùn)動。
而相對于本地空間的運(yùn)動,才是我們在宇宙中的真實(shí)運(yùn)動。
關(guān)鍵詞: 地球 自轉(zhuǎn)速度
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