為什麼仙女座星系與銀河系會在膨脹的宇宙中相撞？

仙女座星系和銀河系的碰撞

仙女座星系是距離銀河系最近的一個大型星系，它與我們相距大約250萬光年。光譜分析顯示，仙女座星系正在以110 km/s的速度靠近銀河系。並在大約38億年後，與銀河系開始合併。另一方面，當年哈勃的觀測結果表明，宇宙正在膨脹。既然如此，為什麼仙女座星系還會靠近銀河系，並與銀河系發生碰撞呢？

首先，我們來了解一下宇宙的膨脹是怎麼回事。所謂的宇宙膨脹，其實是指空間本身的膨脹。宇宙中的大多數星系都在遠離銀河系，並不是因為那些星系本身的運動造成的，而是因為星系之間的空間持續膨脹，才導致星系之間互相遠離。下面以氣球為例，簡單來說明一下空間膨脹。

宇宙膨脹示意圖

把三維空間想像成二維的氣球表面，並在氣球上標出一些點來表示星系。當氣球膨脹時，雖然氣球上的每個點本身都是靜止的，但它們之間會互相遠離，因為每個點之間的距離隨著氣球膨脹而變大了。在每個點看來，其他點都在遠離它，它就如同是膨脹的中心。並且距離越遠的點，退行速度也會越快，因為距離越遠，單位時間內它們之間的距離增加越多。宇宙的膨脹方式也是類似於此，所有的空間都在膨脹，從而導致空間之中的星系互相遠離。那麼，空間膨脹速率有多快呢？

哈勃常數可用于衡量空間膨脹速率，但這個常數很難精確測定，目前已知的數值大約為70 (km/s)/Mpc（70千米每秒每百萬秒差距）。1 Mpc相當於3,260,000 ly（326萬光年），這意味著空間距離每增加326萬光年，星系的退行速度就會相應增加70 km/s。舉個例子，如果兩個星系距離3.26億光年，它們之間的退行速度約為7,000 km/s，如果兩個星系距離32.6億光年，它們之間的退行速度約為70,000 km/s。

膨脹的宇宙

從哈勃常數中可以看到，當尺度很小時，空間膨脹效應並不明顯。仙女座星系距離銀河系250萬光年，由於空間膨脹會導致仙女座星系以54 km/s的速度遠離銀河系。這種退行速度並不快，兩個星系之間的引力作用足以克服空間膨脹效應，從而使仙女座星系以110 km/s的速度接近銀河系，並在38億年發生合併。正是因為引力在小尺度下佔據主導作用，我們的地球、太陽系以及銀河系等結構才能形成。

此外，從哈勃常數中還能得出一個結論，那就是當星系的距離達到140億光年時，它們之間的退行速度將會達到大約300,000 km/s，即達到了光速。這意味著距離銀河系超過140億光年的星系，都在超光速退行，它們現在發出的光不再會傳播到地球上。

星系退行

上個世紀末的研究發現，空間不但正在膨脹，而且這個速率還在持續增加。觀如果宇宙空間繼續像現在這樣加速膨脹下去，本星系團中的其他星系最終都會遠離我們而去，而本星系群中的幾十個星系最終將會在引力的作用下合併成一個星系。到了遙遠的未來，觀察者再仰望夜空時，他們所能看到的只有自己星系中的天體，而宇宙中的其他星系都無法觀測到。

雖然宇宙微波背景輻射不會隨著空間膨脹而消失，但由於空間的加速膨脹，這些宇宙中最早的光的波長將會拉長到光年尺度，導致它們幾乎無法被探測到。在遙遠的未來，綿延在宇宙中的只有無盡的黑暗。

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