04.11 銀河系繞著什麼運動?

我們都知道,月球繞著地球轉,地球繞著太陽轉,太陽繞著銀河系中心轉。那麼,銀河系繞著什麼轉呢?

大爆炸理論告訴我們宇宙的膨脹在各個方向上是均勻的,銀河系兩邊的星系遠離的速度應當是差不多的,在這樣一個參照系中銀河系幾乎是沒有淨運動的。但是在20世紀70年代,天文學家描繪詳細的宇宙微波背景輻射圖時發現,銀河系一側的溫度比另一側略微高了一點點,而這種差異意味著銀河系在宇宙中處於高速運動狀態,大約以600km/s的速度向著另一側運動。這是一個相當高的速度,因為第一、二、三、四宇宙速度分別僅為7.9Km/s、11.2km/s、16.7km/s、120km/s。

難道在銀河系的另一側隱藏著極為龐大且高度密集的超星系團嗎?非常不巧的是,這個方向被銀河系自身所遮蔽而難以觀測,其中密佈的塵埃和氣體使得來自遙遠宇宙的可見光難以穿透,阻礙了天空中約20%的觀測範圍,這片區域被稱為隱匿帶。

銀河系繞著什麼運動?

雖然隱匿帶阻擋了大部分可見光,但氣體和塵埃並不會阻擋太多的紅外線和X射線,而在無線電的波長上銀河系幾乎是透明的,特別是針對由中性氫原子組成的並不明亮的星際雲輻射出的21釐米波長信號的觀測發現了很多新星系。

銀河系繞著什麼運動?

隨著X射線、紅外線與射電望遠鏡技術的發展,對星系團的組成和整體運動模式的瞭解不斷深入,80年代中期天文學家確認銀河系與鄰近的數萬個星系都在以很高的速度向南天半人馬座方向的一個未知引力源運動,因為與引力源的角度偏差和運動方向不同,星系的運動速度從+700km/s到-700km/s不等,並且幾億光年範圍內的數百萬個星系都可能受到它的影響,天文學家將其命名為“巨引源”。巨引源(The Great Attractor),顧名思義,這是一個難以想象而又無比巨大的引力來源,但不知道宇宙深處的它究竟是什麼,然而它卻吸引著整個銀河系以每小時220萬公里的速度在宇宙中狂奔。如果地球以這個速度運行,18天就能繞太陽一圈,若想達到這種效果,這個異常引力源的質量需要相當於2萬多個銀河系才行。

銀河系繞著什麼運動?

巨引源距離銀河系1.5~2.5億光年,位於這部分空間中心區域的是矩尺座星系團(Norma),雖然這是一個巨大而密集的星系團、且周圍星系都在朝向它運動,但是這部分空間內聚集的質量只有最初估計的十分之一,遠不足以產生如此巨大的引力,無法解釋周圍星系的完整運動。也就是說,僅憑巨引源所處範圍內存在物質產生的引力,不足以使銀河系達到每秒600公里的速度向其運動。

於是,天文學家將目光移向了巨引源背後更為廣闊的空間,距離6.5億光年遠的夏普利超星系團是鄰近空間中星系最為密集的一個超星系團,質量相當於銀河系的10000倍、是巨引源區域觀測到質量的4倍。而銀河系與周邊星系、包括巨引源本身,都被拉向了夏普利超星系團。

銀河系繞著什麼運動?

這說明銀河系的運動受到比巨引源更遙遠星系結構的影響,夏普利超星系團附近的其它星系集群也都在通過各自的引力產生著或多或少的影響,星系運動是極大空間尺度上引力共同作用的複雜結果。

但是,截至目前的發現仍不足以完全解釋巨引源存在的奧秘,它在本質上究竟是什麼或者是一種什麼現象呢?若要對此進一步瞭解,就需要從更大尺度上觀察整個宇宙的結構。

整個宇宙的結構在已知的範圍內是分層的,只是這個尺度無比巨大、遠遠超出了最初的想象,每一層級結構中的成員通過引力來維繫彼此間的整體關係。例如,太陽與地球、金木水火土等行星及柯伊柏帶組成了太陽系。

銀河系與仙女座星系等50多個星系組成了本星系群,直徑大約1000萬光年,引力中心位於銀河系與仙女座星系之間。

銀河系繞著什麼運動?

而本星系群與室女座星系團等大約100個星系群及星系團,組成了室女座超星系團,直徑約為1.1億光年,引力中心位於室女座星系團附近。

銀河系繞著什麼運動?

在很長一段時間內,人們認為室女座超星系團就是銀河系所在的、能夠依靠引力約束在一起的、最大的本地星系團結構了,也就是本超星系團。但是在天文學家進行的一項為了揭示暗物質在宇宙空間分佈的研究中,他們通過測量分析星系的本動速度描繪了星系的運動詳圖,在大量星系運動數據的基礎上就獲得了大尺度上的星系流。(星系的實際運動速度是在引力效應作用下產生的速度與宇宙膨脹帶來的速度之和,純粹由相互引力作用產生的速度即為星系的本動速度。例如對宇宙膨脹速度進行精密計算,一個325萬光年外星系的速度大約應當是每秒70公里;但若通過測量星系紅移得到的速度是每秒60公里,就可以反過來推算出這個星系周圍引力作用的集合使它產生了每秒10公里的本動速度。雖然可以這樣簡單的來理解本動速度,但在僅以地球為基點對整個宇宙空間進行的實際測量中困難重重、誤差也不小。)

銀河系繞著什麼運動?

上圖中的黑點是銀河系,藍色表示星系密度低、綠色中等、紅色為高,白色的細絲揭示了星系向引力中心移動的路徑。雖然對整個天球上星系分佈的座標圖繪製了很多,但這是第一次通過追蹤星系間的相互引力、在大尺度上詳細描繪出了星系間的引力作用,可以清晰的看出都有哪些星系、星系群、星系團依靠引力結合在一起、形成一個超級整體結構。星系的位置和運動或者會隨著宇宙的膨脹而遠離、或者會因為引力的作用而逐漸聚攏,在宇宙膨脹導致的遠離運動顯著受到引力聚攏作用影響的位置,就可以確定出超星系團的邊界。

先前被認為是各自分離的室女座超星系團、長蛇-半人馬座超星系團、孔雀-印第安超星系團等,現在都因為這項驚人的發現而全部歸屬於這個2014年被定義的新的超星系團,天文學家將其命名為“拉尼亞凱亞超星系團”。這個詞來自於夏威夷語,意為“無盡的天堂”,這個名稱用來向藉助天文知識在太平洋中航行的波利尼西亞人致敬。

拉尼亞凱亞超星系團由大約300~500個已知的星系團和星系群組成,包含了約10萬個星系,直徑達到了5.2億光年。在一個超星系團範圍內,大多數星系的運動都會朝向它的質量中心,而在拉尼亞凱亞這個質量中心就是巨引源所在的區域。

銀河系繞著什麼運動?

天文學家認為巨引源並非是某種特別的東西,而是一個特殊的位置,它就是拉尼亞凱亞這個超星系團的引力中心,而目前這一核心區域恰好正被矩尺座星系團佔據著。

銀河系與仙女座星系正隨著本星系群的收縮而逐漸向中心位置聚攏,本星系群又與其它相鄰星系群及星系團向著室女座超星系團的中心運動,而室女座超星系團與長蛇-半人馬座超星系團、孔雀-印第安超星系團及其餘數百個星系團又都在向拉尼亞凱亞超星系團的質量中心——巨引源運動著。

銀河系繞著什麼運動?

星系的運動就像水流順著山谷向下流淌,巨引源則是這個引力谷的最幽深之處,其引力效應穿透了5億光年範圍的整個拉尼亞凱亞超星系團。然而,若要徹底的理解巨引源可能還需要幾年的觀測研究,也需要現有理論的進一步深入與擴展。

更加令人費解的是,整個拉尼亞凱亞超星系團也在向著夏普利超星系團運動著,鄰近的其它超星系團也通過引力產生了或多或少的影響,這意味著夏普利和拉尼亞凱亞這兩個超星系團很有可能是更復雜的、再上一級結構的組成部分,在已經達到了10億光年的尺度上,還繼續存在無限可能嗎?

銀河系繞著什麼運動?

1989年之前通常認為星系團是宇宙中存在的最大結構,並且在整個宇宙的各個方向上或多或少都是均勻分佈的,但是自80年代初以來像大型類星體、超星系團複合體、沒有星系存在的巨大虛空等越來越多的大型結構陸續被發現了。1989年發現了“CfA2長城(Great Wall,或譯為巨牆)”,這是由星系組成的長達5億光年、寬2億光年、厚1500萬光年的巨大纖維狀結構;2003年發現了長達14億光年的史隆長城,2007年發現了一個可能跨越了10億光年空間的超級空洞,2011年發現的一個大型類星體群組直徑達到了驚人的21億光年,然而2013年發現的40億光年跨度的大型類星體群組刷新了這個記錄,同年在差不多100億光年遠的地方發現的武仙-北冕座長城延伸的長度達到了不可思議的100億光年。。。

星系在宇宙中不是均勻分佈的,在大尺度上呈現出連續的纖維狀結構,這是目前已知的最大結構,巨大的如同氣泡一樣的空洞分隔開片狀和絲狀的星系纖維,而超星系團就像是偶爾出現的相對更密集的節點。

銀河系繞著什麼運動?

超星系團和纖維狀結構作為層級結構的最頂層,再往上似乎就沒有連續的結構了,這種現象被稱為“偉大的結局(end of greatness)”。但以當前的觀測能力,尚無法詳細的描繪出更大尺度的宇宙空間以及最終的結構,也就難以確定偉大的結局是否已經到來。

宇宙的年齡估計約為138億年,可觀測宇宙的半徑是465億光年,真實宇宙的大小可能是10倍、250倍或更高的數量級;不過,如果宇宙是有限但卻無界的,那麼還可能會比可觀測宇宙要小,光線可能會在彎曲的時空內環繞宇宙一週後到達觀測者,所看到的遙遠星系實際上可能是臨近星系在幾十數百億年前映射的幻像。

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