【原】如果說(shuō)宇宙在以超光速膨脹，為什么銀河系還會(huì)撞上仙女座星系？

魅力科學(xué)君 2022-02-27

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“宇宙一直在膨脹，其膨脹速度甚至可以超過(guò)光速”，這是一種常見(jiàn)的說(shuō)法，而根據(jù)天文學(xué)家的觀測(cè)，銀河系的“鄰居”——仙女座星系，正在向我們沖過(guò)來(lái)，預(yù)計(jì)在大約37.5億年之后，它就會(huì)撞上銀河系。

所以就有人提出了一個(gè)問(wèn)題：如果說(shuō)宇宙在以超光速膨脹，為什么銀河系和仙女座星系還會(huì)相撞呢？

首先要講的是，“宇宙在以超光速膨脹”這種說(shuō)法其實(shí)并不嚴(yán)謹(jǐn)，準(zhǔn)確的說(shuō)法應(yīng)該是：當(dāng)宇宙中兩個(gè)點(diǎn)之間的距離達(dá)到一定的程度時(shí)，這兩個(gè)點(diǎn)因?yàn)橛钪媾蛎浂嗷ミh(yuǎn)離的速度可以超過(guò)光速。為了說(shuō)明這種現(xiàn)象，我們不妨來(lái)舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子。

現(xiàn)在我們有一把尺子，假設(shè)它因?yàn)槟撤N機(jī)制發(fā)生了均勻的膨脹，在1秒鐘之后，它膨脹成了原來(lái)的2倍（如下圖所示）。

在這種情況下，尺子上的刻度會(huì)因?yàn)槌咦拥呐蛎浂嗷ミh(yuǎn)離，因?yàn)榕蛎浭蔷鶆虻模詫?duì)于尺子上的每一個(gè)刻度而言，它與相鄰的刻度相互遠(yuǎn)離的速度都是1毫米/秒。

可以看到，這種相互遠(yuǎn)離的速度會(huì)隨著距離的增加而增加，具體表現(xiàn)為，對(duì)于尺子上的兩個(gè)點(diǎn)而言，它們的距離每增加1毫米，其相互遠(yuǎn)離的速度就會(huì)增加1毫米/秒，比如說(shuō)“0”和“1”的距離為10毫米，所以它們相互遠(yuǎn)離的速度就是每秒鐘10毫米，而“0”和“5”相互遠(yuǎn)離的速度就成了每秒鐘50毫米。

所以我們不難推測(cè)出，假如這把尺子原來(lái)的長(zhǎng)度超過(guò)了299792458米，那么它的兩端因?yàn)檫@種膨脹而相互遠(yuǎn)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(cè)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于宇宙空間中的兩個(gè)點(diǎn)而言，它們之間的距離每增加1百萬(wàn)秒差距（約為326萬(wàn)光年），其相互遠(yuǎn)離的速度就會(huì)增加67.80（±0.77）公里/秒，這也被稱(chēng)為“哈勃常數(shù)”。

據(jù)此我們就可以計(jì)算出，當(dāng)宇宙中兩個(gè)星系之間的距離超過(guò)了大約144億光年的時(shí)候，它們因?yàn)橛钪媾蛎浂嗷ミh(yuǎn)離的速度就會(huì)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(wàn)光年，我們根據(jù)“哈勃常數(shù)”可以計(jì)算出，它們之間因?yàn)橛钪媾蛎浂嗷ミh(yuǎn)離的速度約為53公里/秒，這根本就談不上超光速。

那么問(wèn)題來(lái)了，雖然這種速度遠(yuǎn)低于光速，但是這也表明了銀河系和仙女座星系確實(shí)在相互遠(yuǎn)離，那為什么銀河系還會(huì)撞上仙女座星系呢？我們接著看。

在天文學(xué)中，星系之間因?yàn)橛钪媾蛎浂嗷ミh(yuǎn)離的現(xiàn)象被稱(chēng)為“哈勃流”，除了“哈勃流”的影響之外，星系還有其他的運(yùn)動(dòng)，這被稱(chēng)為“本動(dòng)”，因?yàn)殂y河系和仙女座星系之間存在著引力，所以它們的“本動(dòng)”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(guān)系，兩個(gè)星系離得越近，它們之間的引力就越大，而通過(guò)前面的介紹可知，兩個(gè)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(yōu)勢(shì)。

實(shí)際上，銀河系和仙女座星系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)單地描述為：在“哈勃流”的影響下，銀河系和仙女座星系確實(shí)存在一個(gè)相互遠(yuǎn)離的速度，然而在引力的作用下，這兩個(gè)星系的“本動(dòng)”卻又造成了它們具備一個(gè)相互接近的速度。