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科普中國 2024-11-20 12:50:26
地球，這顆蔚藍色的星球，不僅在其自轉(zhuǎn)軸上翩翩起舞，環(huán)繞太陽悠然行進，更隨著銀河系的步伐，向宇宙的深處邁進。
無論從哪個維度觀察，地球都在永不停歇地運動。這顆藍色星球圍繞地軸旋轉(zhuǎn)，大約每 24 小時完成一圈。在自轉(zhuǎn)的同時，地球也圍繞太陽公轉(zhuǎn)，每年走過將近 10 億公里的旅程。而整個太陽系，包括太陽、行星及其衛(wèi)星等都置身于銀河系之中，以超越人類歷史的時間尺度圍繞銀河系中心運行。
此外，銀河系還在本星系群內(nèi)移動，而本星系群本身也在星際空間中穿行。
盡管在地球上，我們幾乎無法感受到地球的運動，但通過對宇宙的觀測，我們能夠精確地了解地球在不同宇宙尺度上的運動狀態(tài)。
圖片說明：美國國家航天局（NASA）信使號探測器拍攝的地球照片
地球的自轉(zhuǎn)速度
地球自轉(zhuǎn)的速度，看似簡單的問題，實則蘊含復雜多變的答案，這完全取決于你在地球上的具體位置。
我們將地球視作一個“剛體”，就意味著其表面各點相對于其他點的運動狀態(tài)保持相對恒定。地球繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周，表面上幾乎每一點都經(jīng)歷了一次完整的自轉(zhuǎn)，耗時約為 23 小時 56 分 4.09 秒，而非我們通常認為的 24 小時。
這兩個時間的差異源于地球繞太陽公轉(zhuǎn)的影響，使得從一次日出到下一次日出，或一次日落到下一次日落，地球需要旋轉(zhuǎn)的角度會超過360度。
地球的平均半徑約為 6371 千米，但考慮到地形起伏和地球整體形狀（赤道隆起，兩極壓縮），具體某點的自轉(zhuǎn)速度會有所不同。
例如，位于赤道的人以每小時 1676 千米的速度隨地球旋轉(zhuǎn)，而在南北緯 45 度的人則移動得較慢，速度約為 1183 千米/小時。在北極或南極，人們雖然完成了自轉(zhuǎn)，但實際上在原地未動。
地球自轉(zhuǎn)還帶來了其他有趣的現(xiàn)象。例如在高緯度地區(qū)因為距離地心更近，重力加速度更大。而赤道附近的自轉(zhuǎn)速度更快，意味著發(fā)射火箭到太空所需的能量更少，這也是熱帶地區(qū)成為火箭發(fā)射首選地的原因。
此外，月球和太陽的潮汐作用還在使地球自轉(zhuǎn)逐漸減慢，導致地球自轉(zhuǎn)周期每年增加約 14 納秒。大約 40 億年前，在太陽系的早期階段，地球的自轉(zhuǎn)速度要比現(xiàn)在快得多，當時的一天只有 6 到 8 小時，而不是 24 小時。
地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度
與自轉(zhuǎn)相比，地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度更為顯著。地球與太陽的平均距離約為 1.5 億千米，為了維持穩(wěn)定的近圓形軌道，地球必須以每秒約 30 千米的速度運動。
這一速度在地球從近日點到遠日點的過程中會有所變化，最快時可達 30.29 千米/秒，最慢時則為 29.29 千米/秒，兩者相差約3%。
太陽系在銀河系中的位置
太陽系繞銀心一圈要多久
銀河系擁有數(shù)千億顆恒星，它們在銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的引力作用下環(huán)繞其運動。我們的太陽系同樣身處其中，盡管距離銀河系中心約 2.7 萬光年之遙，但也被巨大的引力“束縛”在一個圍繞銀河系中心的橢圓軌道上公轉(zhuǎn)。
太陽在銀河系內(nèi)公轉(zhuǎn)一圈所需的時間極其漫長，大致在 2.2 億年至 2.5 億年之間。也就是說，當太陽上次處于銀河系內(nèi)的當前位置時，恐龍在地球上才剛剛出現(xiàn)。
據(jù)估計，太陽在銀河系的公轉(zhuǎn)速度達到約 220 千米/秒，這一速度是地球繞太陽公轉(zhuǎn)速度的 7 倍。需要注意的是，該數(shù)值存在約 20 千米/秒的不確定性，也就是說科學家測算出太陽在銀河系中的公轉(zhuǎn)速度精度只有約 10%。
太陽系行星的軌道平面與太陽在銀河系的公轉(zhuǎn)軌道存在約60度夾角
銀河系在本星系群中有多快
然而銀河系不僅是宇宙中的一個獨立星系，它還是本星系群中約 60 個星系的一員，與包括仙女座星系在內(nèi)的其他星系相互作用。
本星系群中，規(guī)模最大且質(zhì)量最高的星系當屬仙女座星系，它與我們相隔約 250 萬光年之遙，其質(zhì)量可能達到銀河系的兩倍。
由于仙女座星系距離過于遙遠，以至于我們無法在人類的時間尺度上精確追蹤其位置隨時間的變化，但我們能夠測量到它的移動速度。天文學家的觀測顯示，我們和仙女座星系相互靠近的速度大約是 301 千米/秒。
結(jié)合太陽在銀河系內(nèi)的移動方向和速度，我們可以斷定，銀河系與仙女座星系正以 109 千米/秒的速度相互接近；這意味著，我們正置身于這兩個星系碰撞的進程中，預計大約 40 億年后，一場壯觀的星系合并大幕將緩緩拉開。
這組照片描繪了銀河系與仙女座星系逐步融合過程在地球上空所呈現(xiàn)的景象。
本星系群穿越星際空間的速度有多快
關(guān)于本星系群穿越星系際空間的速度，情況則復雜而有趣。在更廣闊的宇宙中，室女座超星系團作為強大的引力源，牽引著本星系群以約 300 千米/秒的速度向其靠攏。
然而，在宇宙的另一端，一個物質(zhì)稀少的區(qū)域則以相似的速度對我們產(chǎn)生排斥作用。這種吸引與排斥的合力，使得本星系群在宇宙中的凈運動速度達到了每秒約 600 千米。
在宇宙尺度下，我們在往哪疾馳呢
當我們把地球的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)，太陽在銀河系中的運動，以及銀河系與仙女座星系的相對運動，再加上本星系群受周圍宇宙結(jié)構(gòu)影響的運動綜合起來時，可以得出一個結(jié)論：在任意時刻，我們在宇宙中的移動速度總和約為 368 千米/秒，指向獅子座的方向。
這個速度在一年中會因地球公轉(zhuǎn)的變化而波動，變化幅度可達每秒30千米。宇宙微波背景輻射的測量結(jié)果也支持了這一結(jié)論：宇宙微波背景輻射在我們移動的方向（獅子座）上更熱，而在相反的方向（寶瓶座）上更冷。
要準確回答“地球在宇宙中移動的速度”這一問題，我們必須明確參照物。是地球自身的旋轉(zhuǎn)速度，還是它相對于太陽的運動？是相對于銀河系或本星系群，還是相對于宇宙的其他大型結(jié)構(gòu)？亦或是相對于大爆炸遺留下來的宇宙微波背景？在宇宙中沒有絕對的靜止，一切都在不斷地運動和相互作用中。
隨著科學研究的深入和銀河系地圖精度的提高，我們有望在未來更精確地預測地球及本星系群在宇宙中的運動軌跡，其精度將遠超今日之想象。
責編：伍芳芳
一審：黃帝子
二審：姚瑤
三審：黃維
來源：科普中國
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