太陽系運行軌跡，地球如何在宇宙中運行？

哈嘍 大家好 歡迎收看本期視頻 從小我們就學過 地球圍著太陽轉 並且太陽似乎是靜止在那裡的 可實際上遠沒有這麼簡單 地球在銀河系中的真實運動要複雜得多 地球在繞著太陽轉的同時 還以每秒幾百公里的速度移動 更有意思的是 科學家們認為 這種瘋狂的運動 可能會讓我們接觸到更多的宇宙射線 引發基因突變 甚至帶來大規模滅絕事件 此外 這種運動方式還會影響環境 導致另一個冰河時代的到來 為了理解這個問題 想像一下你在一架 以恆定速度和高度飛行的飛機上 此時的你無法感知飛機的速度或高度 然而地面上的人看著飛過的飛機 卻很明顯看到它在移動 這種現象是伽利略在1632年的 著作《兩個世界體系的對話》中 首次提出的 我們現在稱之為伽利略相對性 或伽利略不變性 它告訴我們運動沒有絕對的參考系 即使有多個有效的參考系 我們仍需要根據情況 選擇最相關的那個 那麼 這如何與地球 和整個太陽系的運動概念相契合呢 首先 我們需要確定觀察點 從我們太陽系內部看 如我們所知 行星圍繞太陽運行 但是從更廣泛的角度來看 我們會看到完全不同的畫面 即太陽系在銀河系的廣闊空間中 不斷螺旋式移動 我們知道地球的軌道 不是一個完美的圓 而是一個以太陽為焦點的橢圓 這意味著在軌道的某個點 地球離太陽更近 當地球最接近太陽時 稱為近日點 在軌道上最遠離太陽的點 稱為遠日點 我們通常描述的太陽系 太陽處於中心位置 所有行星都繞它旋轉 但是這並不是我們行星系統內 運動的完全準確的描述 行星不僅圍繞太陽旋轉 它們還拉動太陽使其發生偏移 例如氣態巨行星木星和土星 對太陽和地球有特別強的引力影響 導致其軌道形狀和方向發生微小變化 當木星和土星即使稍微對齊時 它們對太陽系中的所有天體 都有顯著影響 這種效應被稱為外行星的擾動 隨著時間的推移 這些地球軌道的微小變化可以積累 導致地球氣候和整體環境的長期變化 這些變化被稱為米蘭克維奇週期 上世紀20年代 米蘭克維奇提出 第四季大冰期的天文理論 以地球軌道三要素 天心律 地軸傾斜度 歲差的週期性變化為起點 其中地軸傾斜度的變化週期 大約為4萬1千年 它相對於地球軌道平面的角度 在22.1度到24.5度之間變化 地球的軸向傾角越大 我們的季節就越極端 因為每個半球在夏季接收到的太陽輻射越多 而在冬季則更少 較大的傾斜角度有利於冰川消融期 這些影響在全球範圍內並不一致 高緯度地區的太陽總輻射變化 比靠近赤道的地區更大 地軸目前傾斜23.4度 約為傾角極值的一半 在4萬1千年的週期中 這個角度正在緩慢下降 它最後一次達到最大傾斜 是在大約1萬0700年前 而大約9800年後將達到最小傾斜 隨著傾角的減小 它逐漸有助於使我們的季節變得溫和 導致冬季越來越溫暖 夏季越來越涼爽 隨著時間的推移 高緯度地區的冰雪逐漸堆積成大冰蓋 隨著冰蓋的增加 它將更多的太陽能量反射回太空 促進進一步的冷卻 總的來說 這種地軸傾斜的變化 會影響到達地球表面不同部分的太陽輻射量 進而影響冰川期的時間和強度 即所謂的冰河時代 接下來我們再來看看地球在銀河系中 是怎樣運行的 銀河系是一個巨大且複雜的系統 包括大量的恆星、氣體和塵埃 直徑超過10萬光年 最有趣的一點是 它會旋轉 像一個巨大的旋轉風車 旋臂在旋轉時拖著它裡面所有的物質 而地球位於銀河系的一個旋臂裡 距離銀河中心約2.5萬光年 在太陽系裡 我們只需要考慮幾個天體的引力作用 太陽是主要的引力源 相比之下 銀河系的引力場沒有一個主導物體 而是所有天體共同作用的結果 這讓追蹤銀河系中 各部分的運動變得很難但也很有趣 可以幫助我們更好的瞭解 銀河系的複雜結構 就像地球繞著太陽轉一樣 太陽也以每秒約230公里的速度 繞著銀河系中心旋轉 完成一次大約需要2.3億年 這段宇宙旅程帶著太陽和地球 穿越銀河系的不同區域 讓我們接觸到不同的宇宙環境 有趣的是 離銀河系中心越近的地方質量越大 引越強 所以銀河系內部的恆星 比外部的恆星移動的更快 這種速度差異 就像靠近太陽的行星 比遠離太陽的行星運行的更快一樣 要確定太陽相對於銀河系中心的速度 我們需要尋找新形成的年輕恆星 因為它們還在自己的誕生軌道上 接下來 通過計算這些恆星 相對於我們的平均運動速度 我們可以推斷出 太陽以每秒約5公里的速度向前飄移 每秒約8公里的速度向銀河中心靠近 並以每秒約7公里向上離開銀河盤 雖然這些速度看起來不大 但它們對太陽和太陽系 在銀河系中的路徑有很大影響 太陽繞銀河中心的軌道 也不是完美的圓形 而是沿著略微橢圓的路徑上下擺動 大約每6000萬年完成一次完整的擺動 這種運動受到了銀河系中其他恆星 氣體雲和暗物質的引力影響 我們現在在銀河盤的平面上方數十光年 雖然很難確定中心的位置 但因為我們下面的物質比上面的多 盤的引力減緩了我們的向上運動 幾百萬年後 我們會在盤中心上方約300光年處 停止向上運動 然後開始向下一度 這種垂直震盪不僅是個奇特現象 有些天文學家支持施珀假說 認為這可能和地球上的大規模滅絕有關 因為盤中心的恆星密度更高 輻射更強 使得太陽系處於更危險的境地 銀河系旋臂的運動還沒有完全研究清楚 但理論認為有多種因素影響它們 其中一個因素是本星系羣中其他星系的引力 另一個因素是密度波的存在 這些波像池塘中的漣漪一樣 在銀河盤上擴散 它們可以將恆星和氣體推入或推出旋臂 可能會在我們穿過這些區域時 影響地球的環境和生活條件 比如當地球穿過密度較高的區域時 可能會有更多的宇宙射線和高能粒子 到達地球表面 這可能會影響我們的氣候大氣化學 甚至地球上的生命進化 當然了太陽並不是靜止的 它在銀河系中穿行 帶著地球和其他行星一起前進 恆星的運動可以通過它們的自行來描述 自行指的是恆星在天空中隨時間的可見移動 這是由恆星相對於太陽的運動引起的 通常用每年胡秒來測量 也就是恆星一年內在天空中的角位移 自行的概念讓天文學家可以隨時間追蹤恆星的運動 並研究它們相對於彼此的位置和移動情況 這非常重要 因為它幫助我們更好的理解銀河系的結構和動力學 接下來我們來看看地球相對於最近恆星的運動 由於地球繞太陽公轉 夜空中附近恆星的表觀位置會隨著時間稍微變化 這種現象叫做視差 這是因為在一年中不同時間 地球在軌道上的位置不同 導致我們看到的附近恆星的位置會有微小的變化 每顆恆星的視差量取決於它與地球的距離 離地球越近的恆星視差越大 離地球越遠的恆星視差越小 天文學家可以利用視差量來確定附近恆星的距離 這對瞭解我們銀河系的大小和結構非常重要 不僅僅是視差 我們對夜空的感知也受到附近恆星自行的影響 幾年或幾十年間 恆星由於自身在空間中的運動 位置會發生顯著變化 這意味著我們今天看到的星座模式 未來會有所不同 過去也會不一樣 特別是那些具有大自行的恆星 也就是那些快速移動的恆星 它們的位置變化更加明顯 我們現在對太陽系在銀河系中的實際移動方式 有了一個驚人的瞭解 但還有一個問題 我們在整個宇宙中的移動方式是怎樣的 事實證明 銀河系在它的旅程中並不孤單 我們的銀河系不斷被周圍各種質量的引力場拉動 目前我們正以每秒600公里的速度 奔向仙女座星系 但這還不是全部 銀河系是一個名為本星系羣的大家庭的一員 這個星系羣包括54個以上的星系 其中就有我們的鄰居仙女座星系 本星系羣以及其他星系團 都在向一個神祕的超高密度區域移動 這個區域被稱為聚引力源 距離我們大約1.5億光年 其引力強大到能夠影響數億光年範圍內的星系運動 因此本星系羣正以每秒約600公里的速度 被拉向聚引力源 然而這種走位仍不是地球在宇宙中最後的運動 整個宇宙都在膨脹 這意味著所有的星系都在相互遠離 這種膨脹並不是星系在空間中移動 而是空間本身在拉伸 最後的結果就是星系之間的距離隨著時間的推移不斷增加 儘管有所有這些運動 我們仍然可以使用宇宙微波背景輻射 來確定我們相對於宇宙其他部分的速度 這種輻射是大爆炸的殘餘熱量 充斥在整個宇宙中 各個方向上幾乎是均勻的 通過測量這種輻射的微小變化 科學家們確定地球和整個太陽系相對於宇宙微波背景輻射 以每秒約368公里的速度在宇宙中移動 現在地球遠飛靜止不動這一事實 對任何人來說已不再是一個令人驚訝的發現 而是一個複雜天體運動系統中的一個微小但重要的部分