Спроси Итэна: Как Земля движется в космосе?

Итэн Зигель, How does the Earth move through space?

с любезного разрешения автора

В больших масштабах движется не только Земля и Солнце, но также вся галактика и местная группа галактик, поскольку все невидимые силы гравитации в межгалактическом пространстве суммируются.

Credit: NASA, ESA; ACKNOWLEDGEMENTS: MING SUN (UAH), AND SERGE MEUNIER

"В мире не существует вечного покоя ума, пока мы в нем живем. Жизнь сама по себе является движением, которое невозможно без желания, без страха, без смысла"

Томас Хоббс.

Спросите ученого о нашем космическом адресе, и вы получите полную кошелку информации. Вот здесь мы, планета которая вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца, которое вращается по эллипсу вокруг центра Млечного Пути, который тянет по направлению к Андромеде в нашей Местной Группе, которая толкается внутри нашего космического сверхскопления Ланиакеи вместе с группами, скоплениями галактик и пустотами, и сама находится в пустоте КВС (Кинан, Баргер и Коуи) в крупномасштабной структуре Вселенной. После десятилетий поисков наука наконец-то смогла сложить полную картинку и ответить на вопрос - как же мы движемся в пространстве в любом масштабе.

В Солнечной Системе вращение Земли играет важную роль в приливах, в смене дня и ночи и накачивании магнитного поля, защищающего нас от космических лучей и солнечного ветра.
STEELE HILL / NASA

Скорее всего, при чтении этой статьи вы сидите на месте и считаете себя неподвижным. Но мы знаем, что в космических масштабах мы совсем не неподвижны. Для начала, Земля вращается вокруг своей оси, перемещая нас через космос со скоростью почти 1700 км/ч для точек на экваторе. Это число может показаться большим, но по отношению к другим составляющим нашего общего движения сквозь Вселенную, это всего лишь крошечная точка на радаре. Совсем не так быстро, если перевести в км/с. Вращение Земли вокруг оси осуществляется со скоростью всего полкилометра в секунду, или менее 0.001% от скорости света. Но скорость других движений куда больше.

Скорость, с которой планеты вращаются вокруг Солнца, значительно превосходит скорость вращения любой из них - даже самых быстровращающихся Юпитера и Сатурна.

NASA / JPL

Так же, как и другие планеты Солнечной системы, Земля обращается вокруг Солнца со значительно большей скоростью. Чтобы сохраняться на стабильной орбите, нужно двигаться со скоростью около 30 км/с. Внутренние планеты - Меркурий и Венера - движутся еще быстрее, а внешние - как Марс, например ( и еще дальше) - медленнее. Вращаясь в плоскости Солнечной системы, они постоянно меняют направление своего движения - так, Земля возвращается в точку начала своего полета каждые 365 дней. Ну, практически, в ту же самую точку.

Точная модель того, как планеты обращаются вокруг Солнца, которое движется в Галактике в другом направлении.

Image credit: Rhys Taylor of http://www.rhysy.net/, via his blog at http://astrorhysy.blogspot.co.uk/2013/12/and-yet-it-moves-but-not-like-that.html

Потому, что даже само Солнце не неподвижно. Наша Галактика Млечный Путь - такая большая, массивная, тоже находится в движении. Все звезды, планеты, облака газа, песчинки, черные дыры, темная материя и все остальное, движутся внутри нее, под действием ее и своей гравитации. С нашей точки зрения, с расстояния в 25000 световых лет от центра Галактики, Солнце движется по эллипсу, делая полный оборот каждые 220-250 млн лет или вроде того. По оценкам его скорость в этом полете составляет 200-220 км/с, и это большое значение в сравнении со скоростями вращения Земли вокруг оси и вокруг Солнца, обе из них находятся под углом к плоскости движения Солнца через Галактику.

Хотя Солнце и обращается в плоскости Галактики на расстоянии в 25-27 тысяч световых лет от ее центра, орбитальные плоскости планет Солнечной системы совсем не выровнены в галактической плоскости.

SCIENCE MINUS DETAILS / HTTP://WWW.SCIENCEMINUSDETAILS.COM/

Но и Галактика сама по себе не неподвижна, она перемещается вследствие гравитационного притяжения плотных скоплений материи, от пустот, не оказывающих на нее гравитационного влияния. В нашей Местной группе мы можем измерить нашу скорость по направлению к самой массивной и большой галактике прямо на нашем заднем двор. Оказывается, она движется к Солнцу со скоростью 301 км/с, что значит - при учете движение Солнца сквозь Млечный Путь- что две самые массивные галактики Местной группы, Туманность Андромеды и Млечный Путь, движутся друг к другу со скоростями около 109 км/с каждая.

Самая большая галактика Местной Группы - Туманность Андромеды - кажется маленькой и незначительной в сравнении со Млечным Путем, но все это из-за расстояния: около 2.5 млн световых лет. В настоящий момент она движется к Солнцу со скоростью 300 км/с.

SCIENCETV ON YOUTUBE / SCREENSHOT

Местная Группа, какой бы массивной не казалась, не находится в изоляции. Другие галактики и скопления галактик в нашем окружении, притягивают нас, и даже далекие скопления материи делают в это притяжение свой взнос. На основе того, что мы можем увидеть, измерить и вычислить, эти структуры, как оказалось, добавляют дополнительно еще примерно 300км/с, но немного в другом направлении, чем все движения, сложенные вместе. И это объясняет часть, хотя и не все, крупномасштабного перемещения сквозь Вселенную. Есть и еще одна составляющая, о которой начали говорить только в последнее время - гравитационное отталкивание космических пустот.

Различные галактики сверхскопления Дева группируются и собираются все вместе. В самых больших масштабах Вселенная однородна, но если посмотреть в масштабах скоплений или галактик, преобладают сверхплотные и неплотные области.

ANDREW Z. COLVIN, VIA WIKIMEDIA COMMONS

Для каждого атома или частицы материи Вселенной в этих сверхплотных областях, существуют места когда-то средней плотности, которые потеряли эквивалентное количество массы. И так же, как область с плотностью, больше средней будет вас притягивать с большей силой, область с меньшей плотностью притягивает с меньшей, и в большом масштабе не будет преувеличением сказать, что отсутствие доли притяжения у менее плотных областей можно рассматривать, как отталкивание. В нашей Вселенной противоположно расположению области повышенной плотности находится регион низкой плотности - большая Пустота. И поскольку мы находимся между двумя этими областями, силы притяжения и отталкивания складываются, и каждая из них добавляет свое слагаемое в 300 км/с, что дает в сумме 600 км/с.

Гравитационное притяжение (синим) областей повышенной плотности и относительное отталкивание (красным) - пониженной в приложении к Млечному Пути.

YEHUDA HOFFMAN, DANIEL POMARÈDE, R. BRENT TULLY, AND HÉLÈNE COURTOIS, NATURE ASTRONOMY 1, 0036 (2017)

Сложив все эти движения - вращение вокруг оси, обращение Земли вокруг Солнца, движение Солнца сквозь Галактику, движение Млечного Пути по направлению к Туманности Андромеды и перемещение Местной Группы под действием притяжения плотных областей и отталкивания - неплотных, можно, наконец, определить, как же мы движемся сквозь Вселенную в любой момент времени. Оказывается, что общее движение составляет 368 км/с плюс-минус 30км/с в определенном направлении в зависимости от времени года и того, в какую сторону движется сама Земля. Измерения микроволнового излучения фона показали, что в направлении нашего движения оно становится предпочтительно теплее, а в противоположном - предпочтительно холоднее. 

Остаточное свечение Большого Взрыва в одном направлении на 3.36 миллиКельвин теплее средней температуры, и на 3.36 милликельвин холоднее средней в другом направлении.

DELABROUILLE, J. ET AL.ASTRON.ASTROPHYS. 553 (2013) A96

Если игнорировать движение Земли, мы обнаружим, что Солнце движется относительно микроволнового излучения фона со скоростью 368 плюс-минус 2 км/с, а если привязаться к движению Местной группы - Млечного пути, Туманности Андомеда, галактики в Треугольнике и других, получится, что она движется со скоростью 627 плюс-минус 22 км/с относительно микроволнового излучения фона. Такая большая неопределенность появилась из-за того, что движение Солнца вокруг центра Галактики очень трудно точно измерить.

Относительное притяжение и отталкивание плотных и неплотных областей на Млечный Путь. Их общий эффект называется дипольный отражатель.

YEHUDA HOFFMAN, DANIEL POMARÈDE, R. BRENT TULLY, AND HÉLÈNE COURTOIS, NATURE ASTRONOMY 1, 0036 (2017)

Не существует универсальной системы отсчета, но есть довольно удобное микроволновое излучение фона, которое также соответствует последнему состояние хаббловского расширения Вселенной. У любой из галактик, которую мы наблюдаем, есть т.н. Собственная скорость (или скорость поверх хаббловского расширения) в несколько сотен км/с, и то, что мы наблюдаем у себя, вполне соответствует этому.  Собственное движение Солнца в 368 км/с ,  и движение Местной группы со скоростью 627 км/с, полностью соответствуют тому, что мы знаем о том, как движутся галактики в пространстве. Благодаря эффекту дипольного отражателя мы впервые узнали свое перемещение в любых космических масштабах.