[中配]宇宙方向感：太陽系為何如此扁平？

想象一下 你在太空中醒來漂浮着 沒有船就沒有星球 就你和星星 陽光在你的頭盔上閃爍 但你在哪裏? 那麼什麼是上 什麼是下? 你知道有太陽 但你在太陽系中的具體位置是什麼呢? 往左? 上面還是下面? 很快 這些世俗的詞語在這裏就失去了意義 但我們人類非常需要方向感 信不信有你天文學家找到的方法 即使在太空的深處 也能給我們方向感 所以今天我們追尋的問題是 太陽系的上方和下方有什麼? 這到底意味着什麼? 在我們自己的星系裏 我們是左邊還是右邊? 那它在宇宙中的位置呢? 總的來說 這揭示了宇宙的構造是什麼樣的? 那麼我們就從一切都有意義的地方開始吧 在家 在地球上 向下是顯而易見的 這是重力拉你的方向 放下某樣東西 它會朝着行星的中心下落 那是我們內置的定向系統 從那裏 向上 正好相反 遠離地球中心 這聽起來簡單 直到你嘗試瞄準望遠鏡或發射衛星 然後由於地球的運動 上下的方向 每一分鐘都發生劇烈變化 所以我們添加了一個新層次 地球的轉軸 一條從北極到南極的想象線 這個軸線爲我們提供了一個穩定的參考點 無論你在全球的哪個地方 它始終指向相同的方向 這就是我們如何確定真正的北方 把它延伸到遙遠的空間 你會發現 北極星幾乎正好位於極點的正上方 不在正上方 但如此接近 以至於幾乎沒有晃動 徒步旅行者航海者 古代文明 他們都利用北極星來判斷自己的方向 但這顆特定的星星 並不總是北極星 它也不會永遠是 原因是一個緩慢的宇宙晃動 稱爲軸向進動 完成一次完整的搖擺 大約需要兩萬六千年 因此 我們的軸星指向的天空中的點 在幾千年的時間裏逐漸變化 大約五千年前 北極星是完全不同的星星 位於天龍座的圖班星 大約在一萬兩千年後 這個稱號將轉移到織女星 今天夜空中最亮的星星之一 但現在 距離天極還很遠的 這就是我們星球的 尚在宇宙的標準下 如何在眨眼間變化 在南天 事情變得複雜起來 南極星是南極的對應星 但它太暗了 沒戴望遠鏡幾乎看不見 這就是爲什麼南半球的人們 更依賴南十字星 即十字座 儘管它與南極並不完全對齊 但卻更容易被發現 於是天文學家將整個系統 構建了一個赤道座標系統 它使用的是赤經和赤尾 而不是尾度和經度 這是一種投射到夜空上的天球網格 想象一下 將地球的赤道和兩極延伸到星空中 現在每顆星星 每個星系和每個星雲都有了地址 這個系統在我們行星的後院內 是非常可靠的 這就是我們瞄準望遠鏡 追蹤衛星和跨越海洋史的方式 但你越是放大 問題就越多 因爲這一切仍然依賴於地球 一旦你把它拋在腦後 整個方向感的概念就開始崩潰 如果地球像古代部落認爲的那樣是平的 那就簡單多了 但有趣的是 我們可以將其應用於整個太陽系 它有一個被稱爲黃道平面的東西 基本上是地球繞太陽軌道 描繪出的扁平無形的面 它在本質上是太陽系的赤道臨線基線 我們所建立一切的基礎 而且由於黃道來源於古代太陽的圓形星盤 水星到海王星的大多數行星 都沿着同一個平面繞太陽公轉 這使得黃道成爲繪製太陽系的一個極爲便利的參考 不過細微之處依然有其重要性 與大多數人的想法相反 行星並不是像彈珠一樣完美排列在一起的 在平坦的桌子上 它們都有傾斜 各自在各自略微偏斜的軌道上 金星偏差約三度 火星偏差接近二度 但這樣就出現了異常值 以水星爲例 它的軌道面傾斜約七度 使其成爲經典行星中傾斜度最大的行星之一 當然 我們不能忽視明王星 這顆充滿主角氣息的潛行星 它的軌道與黃道的傾斜角 達到驚人的17度 那幾乎是一條對角線 當明王星在1930年被發現時 它實際上是在黃道平面之上 但由於其長而偏心的軌道 最終在1989年降到了平面以下 它會在那裏待到大約2113年 那超過了120年花在所謂的太陽系下方 與此同時 旅行者一號 距離地球最遠的人造物體 目前正以約35度的角度巡航 位於黃道之上 它正朝着一個叫做蛇夫座的星座前進 有趣的是 一些人認爲它應該是第13個星座 但我們最好別觸及那個話題 旅行者二號 它選擇了風景優美的路線 約在黃道面下方48度 瞄準的是Telescopium 沒錯 這確實是一個星座的名字 而不只是宜家的燈 還有彗星 它們是太陽系的冒險家 以C2023A3爲例 這是近期被炒作的彗星之一 它從遠高於黃道平面俯衝而下 朝着內太陽系急速靠近 所以這個框架 即黃道 對於太陽系內發生的任何事情都很有用 所以如果你幸運地在太陽附近醒來 只需尋找像金星這樣的明亮移動物體 它的運動會讓你計算出 自己相對於黃道的位置 但一旦你拉遠視角 真正拉遠 這整個平臺就變成了一個局部的奇特之處 因爲星星們正隨着完全不同的節奏舞動 歡迎來到銀河系 我們的銀河系是一個 橫跨數千億顆星星的螺旋星系 呈扁平盤狀 而這個盤面爲我們提供了下一個主要的參考點 即所有恆星圍繞銀河中心旋轉的銀河平面 有點像黃道 但適用於整個銀河系 如果你在谷歌上搜索太陽系在銀河系中的位置 你會找到像這樣的圖片 那麼我們大概在這個盤面上偏左一點 其實一點也不是 這只是流行的信息圖表慣例 使用那個特定的角度 但是我們在這個盤面上的垂直位置又如何呢 幸運的是 上面和下面是一樣的 只不過現在我們是用光年來衡量 太陽和繞着它運動的一切 包括你 目前正位於銀河中平面上方 約20到20光年處 這聽起來可能很大 但考慮到銀河系在某些地方厚度超過1000光年 我們基本上只是略微觸及表面 但是等等 我們爲什麼會看到銀河在夜空中呈現出一條對角帶呢 那是因爲我們太陽系的平面 即黃道 約與銀河平面傾斜了60度 所以當你在晴朗的夜晚 抬頭仰望 看到那條密集而明亮的帶子斜切過夜空時 你實際上是在從側面觀察銀河盤 那是一片大多數恆星密集的薄薄區域 而太陽系相對於銀河系的實際運動是這樣的 非常凌亂 看這些視頻很容易就頭暈 爲了讓我們這些地球人理解這一切 天文學家使用銀河緯度和銀河精度 0緯度意味着你正好位於銀河平面上 正值意味着上方 負值意味着下方 有點像地形圖上的高度 但針對的是星星 例如位於天龍座的球狀星團M13 漂浮在更高的地方 約在平面上方40度 與此同時 在平面下僅僅7角分鐘的位置 你會找到銀河系的黑暗中心 人馬座A星 一個錨定我們銀河的超大質量黑洞 而且這裏有個有趣的轉折 我們的臨近星系仙女座星系 似乎高懸在天空之上 但從銀河系的角度來看 它實際上位於銀河平面下方約21度 所以從銀河的角度來看 我們所認爲的上實際上是下 哦 不過如果你覺得這很混亂 請記住 即使我們的銀河系 也只是巨大混沌中的一個節點 所以當你最後一次放大時 方向變得比以往任何時候都更奇怪 進入宇宙微波背景輻射 簡稱CMB 它本質上是我們在可觀測宇宙中 能夠看到的最古老光線的外殼 這是來自宇宙大爆炸的微弱餘暉 經過138億年巨大的擴張 現在被拉伸成微波 而CMB爲我們提供了一個真正獨特的東西 一個宇宙參考點 但不是方向 是運動 你看 如果你相對於宇宙微波背景輻射完全靜止 沒有飄移 旋轉或軌道運動 那麼你會發現那古老的光 在每個方向上都是完全均勻的 溫度相同 波長在任何地方都是一樣的 但是我們並沒有靜止不動 整個太陽系 以大約每秒370公里的速度 飛馳在太空中 相對於我們的宇宙參考點前了 這種運動 在宇宙微波背景輻射中 形成了一個可見的指紋 稱爲雙極各項異性出現在天空的一側 我們前進的方向 看起來稍微溫暖一些 因爲光線被我們的運動壓縮了 另一邊較涼 因爲我們正遠離它 就像在雨中駕駛 即使雨滴是直下落的 但由於你在移動 它們似乎是從前方打在你的擋風玻璃上 宇宙對我們也在做同樣的事情 但等一下如果宇宙微波背景 給了我們宇宙中唯一真實的靜止參考系 你或許會想能不能把它反轉過來 把它當作一種宇宙球體來看待 你知道 給它加上座標 畫出赤道 然後說 嘿 看 那是CNB唄 那是南 而我們就在這裏 很誘人 但不行 你看 CNB不是空間的地圖 而是時間中運動的地圖 這並不是我們身處的一個結構 而是37萬年前整個宇宙的快照 我們在天空中望向的每一個方向 看到的都是相同的景象 古老的光拉長並冷卻 從宇宙的每一個角落而來 它並沒有內置上下之分 整個過程中唯一的非對稱性 就是那種偶集各項異性 即有我們在太空中運動 引起的溫度差異 所以 歸根結底 我們並不是在某個宇宙星圖上 而更像是 我們正朝這個方向 在這片輻射海洋中移動 即使你嘗試基於二極體 發明一個座標系統 比如 把我們前進的方向稱爲CNB北 並以此爲基礎定義其他方向 但這也不穩定 因爲太陽系 它正在繞着銀河系運行 而銀河系相對於宇宙微波背景輻射的 移動速度則完全不同 達到每秒550公里 所以 由於這個混亂 今天的CNB北在一億年後 不會是一樣的 這不是一個宇宙地標 這更像是一個測速計 只有回望過去138億年 但我們宇宙在真正大尺度上的 幾乎所有事物 都有些不同尋常 CNB也是如此 我們剛纔說過 在每個方向上 都是相同的光輝 但這並不是那麼簡單 進入邪惡軸心 聽起來像個漫畫反派 但實際上 這是在宇宙微波背景輻射的 最低倍數中發現的異常現象 宇宙微波背景輻射天空中的大尺度模式 簡單來說 CNB中存在某些溫度波動 這些波動應該是隨機分佈的 但實際上 卻大致指向同一個方向 這不應該發生在我們想象中的 一個完全均勻 沒有方向的宇宙中 這還不是唯一的警示信號 在合流座星座中 有一個被稱爲 冷點的宇宙微波背景區域 其溫度明顯低於周圍地區 一些理論認爲 這是由於超空洞引起的 超空洞是一個巨大的低密度區域 延伸數億光年 其他人提出了一些更爲奇特的想法 比如 來自平行宇宙的印記 或者宇宙膨脹結構中的皺褶 無論如何 如果這些模式是真的 它們暗示宇宙可能存在新星的方向 這些方向不是植根於空間本身 而是由物質和能量的分佈方式產生的 換句話說 在最大尺度上 上下的概念可能並非源於網格 地圖或旋轉 而是來自宇宙結構的不均勻性 它深深埋藏在空間的結構中 我們現在纔開始看到輪廓 在2021年 研究遙遠類星體的天文學家們 突然發現了一個真正的龐然大物 這條巨大的弧線 是一條延伸超過30億光年的 銀河系彎曲 這不僅僅是巨大的 甚至在宇宙學上也是不可能的 或者說至少應該是這樣 標準宇宙學認爲 任何引力連接的結構 都不應超過12億光年 但正如你所看到的 巨型弧線幾乎是它的三倍 而這並不是唯一的異常現象 不久之後 astronomers發現了大環 一個長達13億光年的星系環 看起來似乎在太空中扭曲 甚至旋轉 這不僅僅是個好奇 那是一個模式 在科學中 模式需要解釋 因爲如果你開始發現如此巨大的結構 並且它們都以某種方式指向 彎曲、流動 那麼宇宙中的方向也許確實存在 不是此北 不是上下 而是一種統計方向 想象一下 把我們發現的所有巨大弧線 環牆和絲狀物 疊加到一張宇宙地圖上 如果這些特徵更多的聚集在一側 或者它們的軸線對齊得過於完美 那就給你提供了一個向量 由此便形成了一個參考框架 這就是我們如何利用地球的地形 在這裏定義方向的方式 山谷、河流、海岸線 如果物質下落 宇宙可能並沒有那麼不同 如果這些巨型結構的運動 像水流下坡一樣 那麼它們的排列可能幫助我們 定義一個宇宙的下坡 看起來我們已經找到了 離我們最近的一個 記得我之前提到的 銀河系相對的宇宙微波背景輻射速度嗎? 這種運動的方向並不是隨機的 在80年代 天文學家們發現 還有成千上萬的Galaxies 和我們一起朝着某個在半人馬座的點 快速移動 科學家們對此神祕結構感到驚訝 因此將其命名爲大引力 這有點像邪惡軸心的感覺 但爲什麼這麼陰險? 很簡單 我們之所以看不到那裏有什麼 是因爲銀河系本身 它在夜空中寬廣的星辰帶 阻礙了最敏感的望遠鏡的視野 因此 偉大引力體的真實本質仍然是個謎 而且在太陽系旋轉到銀河盤的更好位置之前 這種狀態將持續至少一億年 我們目前所知的是 偉大引力者可能是距離我們約1.5億到2.2億光年外的 某個巨大星系團 因此 我們的地球 我們的太陽系 甚至整個銀河系本質上都在一個 我們過於渺小而無法認知的宇宙斜坡上滑行 隨着整個星系領域一起乘風而行 隨波逐流於引力之流 如果是這樣 也許這就是我們宇宙領域中的一種下方方向 事實上 我們自己的拉尼凱亞超星系團 是以其中心的巨大引力圓爲界定的 不過 把這個物體視爲一個宇宙的底面 是否切實際呢? 沒那麼回事 我們一直在尋找一個平坦的平面或北極 而真正的答案是飄移 是向宇宙中某個看起來並不那麼均勻的 更密集的地方牽引 所以 最終 地球之外 上下南北 依然沒有異議 而我們所擁有的最堅實的東西 不過是十萬個銀河系 靜靜地被困在宇宙景觀隱藏的谷地和山脊中 順着緩慢的單向潮流流動 如果沒有一個讓我震驚的最近發現 我會就此打住 在2025年 天體物理學家利奧爾·沙米爾及其團隊發表了一項研究 使用了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的高級深空星系調查數據 他們所發現的效果可能令人震驚 這項研究分析了260多個古老的螺旋星系 其中約三分之二 從我們的視角來看是順時針旋轉的 而只有三分之一是逆時針旋轉的 而這種不對稱性足以表明 有某種因素讓這些星系傾向於一種旋轉方式 如果那些模式是真實的 而這仍然是一個大的未知 那麼宇宙可能確實有一個宇宙軸心 整個宇宙可能正在微微旋轉 所以如果我們找到這個軸心並圍繞它建立座標 那麼上和下、南和北就會重新有意義 就像地球的旋轉一樣 這意味着我們真的可以製作一個宇宙的球體 這難道不是很特別嗎? 這些在自己星球附近連方向都分不清的小生物 竟然揭開了無法想象的浩瀚宇宙的方向感 這足以讓我們開始俯視宇宙 你不覺得嗎?