如果說宇宙在以超光速膨脹,為什麼銀河系還會撞上仙女座星系?

网瘾少女 2022/03/04 檢舉 我要評論
 

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「宇宙一直在膨脹,其膨脹速度甚至可以超過光速」,這是一種常見的說法,而根據天文學家的觀測,銀河系的「鄰居」——仙女座星系,正在向我們沖過來,預計在大約37.5億年之後,它就會撞上銀河系。

所以就有人提出了一個問題:如果說宇宙在以超光速膨脹,為什麼銀河系和仙女座星系還會相撞呢?

首先要講的是,「宇宙在以超光速膨脹」這種說法其實並不嚴謹,準確的說法應該是:當宇宙中兩個點之間的距離達到一定的程度時,這兩個點因為宇宙膨脹而相互遠離的速度可以超過光速。為了說明這種現象,我們不妨來舉個簡單的例子。

現在我們有一把尺子,假設它因為某種機制發生了均勻的膨脹,在1秒鐘之後,它膨脹成了原來的2倍(如下圖所示)。

在這種情況下,尺子上的刻度會因為尺子的膨脹而相互遠離,因為膨脹是均勻的,所以對于尺子上的每一個刻度而言,它與相鄰的刻度相互遠離的速度都是1毫米/秒。

可以看到,這種相互遠離的速度會隨著距離的增加而增加,具體表現為,對于尺子上的兩個點而言,它們的距離每增加1毫米,其相互遠離的速度就會增加1毫米/秒,比如說「0」和「1」的距離為10毫米,所以它們相互遠離的速度就是每秒鐘10毫米,而「0」和「5」相互遠離的速度就成了每秒鐘50毫米。

所以我們不難推測出,假如這把尺子原來的長度超過了299792458米,那麼它的兩端因為這種膨脹而相互遠離的速度就超光速了(注:真空中的光速為299792458米/秒)。

同樣的道理,宇宙的膨脹也是均勻的,觀測資料顯示,對于宇宙空間中的兩個點而言,它們之間的距離每增加1百萬秒差距(約為326萬光年),其相互遠離的速度就會增加67.80(±0.77)公里/秒,這也被稱為「哈勃常數」。

據此我們就可以計算出,當宇宙中兩個星系之間的距離超過了大約144億光年的時候,它們因為宇宙膨脹而相互遠離的速度就會超光速。

然而銀河系和仙女座星系之間的距離「只有」大約254萬光年,我們根據「哈勃常數」可以計算出,它們之間因為宇宙膨脹而相互遠離的速度約為53公里/秒,這根本就談不上超光速。

那麼問題來了,雖然這種速度遠低于光速,但是這也表明了銀河系和仙女座星系確實在相互遠離,那為什麼銀河系還會撞上仙女座星系呢?我們接著看。

在天文學中,星系之間因為宇宙膨脹而相互遠離的現象被稱為「哈勃流」,除了「哈勃流」的影響之外,星系還有其他的運動,這被稱為「本動」,因為銀河系和仙女座星系之間存在著引力,所以它們的「本動」就具備了讓它們相互接近的速度。

我們知道,引力的大小與距離的平方是反比例關係,兩個星系離得越近,它們之間的引力就越大,而通過前面的介紹可知,兩個星系之間的距離越近,其受到「哈勃流」的影響就越小,所以在距離較近的情況下,引力的影響就可以占到優勢。

實際上,銀河系和仙女座星系的相對運動可以簡單地描述為:在「哈勃流」的影響下,銀河系和仙女座星系確實存在一個相互遠離的速度,然而在引力的作用下,這兩個星系的「本動」卻又造成了它們具備一個相互接近的速度。

由于距離較近,因此在這場較量中,「哈勃流」的影響就比「本動」小,從而造成銀河系和仙女座星系「相互遠離的速度」低于「相互接近的速度」,如此一來,它們之間的距離就會不斷縮小,並最終撞在一起。

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