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為什麼我們感覺不到太陽系在銀河系中高速運動?

就像地球、太陽一樣,星系確實都在自轉,這種自轉運動會使像銀河系這樣的螺旋星系呈現為扁平的圓形。就其各部分的切向速度而言,星系的自轉速度非常快。例如,我們的太陽系在參與銀河系自轉的過程中,以每小時79.2萬公里(220公里/秒)的速度在星際空間中運行。那麼,如果星系的各個部分移動得如此之快,為什麼它們看起來會像是靜止的呢?

簡單來說,這是因為星系大得難以想像。從遠處看,一個高速運動的物體看起來顯得很慢,例如,天上的飛機看起來是在慢慢運動,儘管飛機的時速可達900公里。這不是什麼心理效,在一個巨大的空間中,當物體的速度用它所要行進的總距離的百分比來表示時,它實際上運動得非常慢。

我們的太陽系距離銀河系中心大約2.6萬光年,所以太陽系環繞銀河系運動一圈所需要行進的距離是16.3萬光年,即155億億(1.55×10^18)公里。雖然太陽系正以每小時79.2萬公里的速度再空間中快速運動,但我們環繞銀心旋轉一周仍需要大約2.2億年的時間。

就完成一次環繞銀河系的運動而言,太陽系以每小時1000萬億分之五圈的速度繞銀心運行。如果河外星系中存在外星文明,並且他們可以觀測到整個銀河系,由於我們的星系旋轉得非常緩慢,以至於看起來根本就沒有旋轉。同樣地,我們觀測其他星系,也無法直接看出它們的旋轉。

由於太陽以及其他恆星環繞銀心旋轉的角速度很慢,這使得我們也看不出夜空中的恆星運動。無論我們什麼時候觀測星空,恆星的相對位置都是保持恆定的。

不過,也有例外的情況。位於6光年外的巴納德星是離太陽第四近的恆星,它的自行速度非常快。如果把巴納德星每隔五年在星空中的位置做個比較,就會發現它相對於背景星空出現了明顯的移動:

儘管如此,人的肉眼是不可能看出巴納德星的自行運動,6光年的距離還是太遠了。

雖然肉眼看不出星系的自轉,但天文學家通過對星系自轉的研究,有了意想不到的發現。理論上,越遠離星系中心的恆星繞著星系中心旋轉的速度應該越慢,這就像行星繞著恆星旋轉那樣遵循開普勒定律。然而,觀測結果非常令天文學家意外,因為恆星的公轉速度並沒有隨著距離的增加而逐漸減小,而是基本維持恆定,如下圖所示:

這是已有的理論所無法解釋的情況,因為如果星系邊緣的恆星公轉速度也很快,這些恆星就不可能會被星系束縛住,星系的結構早就會散掉。對此的解釋有兩種,一種解釋是現有的引力理論有問題,需要進行修正,修正牛頓引力理論就是一個例子。

還有一種解釋是星系中存在著一種不為人知的物質,它們並非由質子和中子構成的重子物質,這種特殊的物質可以起到引力的作用,但基本上不會發生電磁作用,所以它們無法直接用天文望遠鏡來探測,天文學家把這種物質稱為暗物質。暗物質假說更受青睞,因為還有其他證據可以支持它們的存在。

據估計,如果宇宙中存在暗物質,它們的含量是普通物質的5倍。目前的理論認為,暗物質可能是由大質量弱相互作用粒子構成,這是天文學家一直在尋找的神秘粒子。我國在2015年發射了「悟空號」暗物質粒子探測器,它的其中一個主要目標是尋找暗物質。如果能夠找到暗物質,這必將是天文學的又一里程碑。

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