银河系与仙女座星系30亿年后发生大碰撞与宇宙膨胀矛盾吗？为什么？

科学家们说，宇宙正在高速膨胀，但银河系和仙女座星系正在以每秒300公里的速度接近，并将在30 ~ 40亿年后相撞。宇宙的膨胀使星系离得越来越远，但星系却离得越来越近，这难道不是矛盾的吗我们来谈谈这个。

宇宙膨胀是指数十亿光年空间的大规模膨胀，但在更小的尺度上，比如在一个星系或星系团中，引力仍然扮演着主要角色。宇宙的膨胀率被精确地测量出来，结果就是哈勃常数。最常用的数据是2013年欧洲航天局提供的，他们利用普朗克卫星进行了精密的观测和计算，得出的值为6780±077(km/s)/Mpc。这意味着，在326万光年的距离上，该星系正在以每秒678公里的速度远离我们，误差范围为077公里。

宇宙的膨胀是各向同性和均匀的，这意味着无论我们朝哪个方向看，宇宙都在以相同的速度膨胀，越远越快，越近越慢，比例均匀。宇宙的可观测半径为465亿光年，最遥远的星系正以每秒97086公里的速度远离我们，超过光速的三倍。因此，我们得出结论，空间正在以超过光速三倍的速度扩张，但这是整体空间的扩张，而不是单个星系的扩张。根据欧洲航天局(European Space Agency)提供的哈勃常数，距离地球一光年远的宇宙正在以每秒02公里的速度膨胀。

30亿年后，银河系和仙女座星系的碰撞是否与宇宙的快速膨胀不相容有些人把宇宙的膨胀比作不断膨胀的气球。气球中的每一个点都不会很快地分开，但是最远的那个点会。所以我们看到的是离地球很遥远的星系，它们快速地远离我们，但我们的速度是零，我们越靠近，我们的速度就越慢，这与我们周围物体的引力相比几乎可以忽略不计。

银河系和仙女座属于同一个星系群，它们在引力和引力作用下相互结合。这两个星系相距254万光年，现在正以每秒300公里的速度靠近，预计将在30到40亿年的时间里碰撞并合并成一个新的、更大的星系。但如果你在465亿光年之外观察我们，那里的文明会看到我们正以超过光速三倍的速度远离他们，这几乎可以忽略不计，每秒97万公里的速度与每秒300公里的速度相比。

在茫茫宇宙中，有我们肉眼看得见的群星闪烁，既有恒星、行星、卫星、流星、彗星等星体，也有我们肉眼看不见的尘埃、气体、类星体、黑洞及各种射线源等，所有这些物质通称为天体。各种天体之间既相互吸引又相互排斥，按一定的规律组合在一起不停地运动着。这些不断变化的天体组成了浩瀚的宇宙。

包含了大量恒星和无数星际物质的天体系统称为星系。太阳所在的星系叫银河系，银河系以外的其他星系统称为河外星系。

银河系是由1500亿～2000亿颗恒星和无数星际物质组成的。在晴朗的夜空，常可以看到一条群星闪烁的银灰色光带，这就是银河。其实它是一个巨大的中间厚、四周薄的旋涡状“银盘”，众多的恒星围绕着银河系的质心——银核旋转(图1-1)。银盘中央是恒星高度密集区域，近球形称为核球；银盘外围恒星稀疏呈扁球状，称为银晕。从垂直银河系平面的方向看，银盘内恒星和星际物质在磁场和密度波影响下分布并不均匀，而是由核球向外伸出的四条旋臂组成旋涡结构(图1-1B)。旋臂是银河系中恒星和星际物质的密集部位。银河系的直径约为10万光年，中心厚度约1万光年(1光年等于光在1年中所走过的路程，约为1013km)。

图1-1 银河系结构示意图

(据刘本培，2000)

太阳是银河系众多恒星中的普通一员，位于银盘中心平面(银道面)附近和一条旋臂(猎户座旋臂)的内缘，距银核约3万光年。太阳本身是一个炽热的球体，它的表面温度大约为5500℃，中心温度高达155×107℃，其质量约为1989×1033g，直径可达139×106km；太阳的平均密度为 141g/cm3，中心密度为 160g/cm3，中心压力可达344×1015Pa。在太阳上最丰富的元素是氢，约占其总量的71%，其次为氦，约占27%。这些元素在超高温、超高压的环境下，产生热核反应，氢聚变为氦，同时释放出巨大的能量。

以太阳为中心的天体系统，称太阳系。太阳占太阳系总质量的9987%。它以极大的引力控制着整个太阳系，使其他天体都围绕着它进行公转。在太阳系中共有八颗大的行星，按其与太阳距离的远近，依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星(图1-2)。在太阳系中还有数以万计的小行星，从1801年发现第一颗小行星以来，已经确定轨道的小行星约4000个，未能确定轨道的就更多，可能在1万个以上，小行星主要集中分布在火星与木星轨道之间。除此之外，在太阳系中还有彗星及行星的卫星(如月亮)等。

图1-2 太阳系八大行星轨道位置示意图

太阳系八大行星按其物理性质可分为两类：一类以地球为代表，称为类地行星，因为它们离太阳近，又叫内行星，内行星有水星、金星、地球和火星，它们的共同特点是质量和体积小，密度大，以固体物质为主，自转速度较慢；另一类以木星为代表，称类木行星，因其离太阳较远，又叫外行星，外行星有木星、土星、天王星、海王星，其共同特点是质量和体积大，密度小，以流体为主，自转速度较快(表1-1)。

地球、太阳系、银河系、宇宙的起源历来是人们关注的问题。人类最初对宇宙的认识始于美丽的神话和传说。随着人类的进步，对宇宙的认识逐渐由近而远、由表及里不断深入。特别是在牛顿力学体系下对宇宙有了一个全新的认识，形成了很多种宇宙起源假设理论。

表1-1 八大行星基本数据

注：-表示逆时针转。

当代宇宙起源假设中，大爆炸宇宙学说是最有影响的一种学说。1946年俄裔美国天文学家伽莫夫根据宇宙膨胀的现象提出了大爆炸学说，即宇宙起源于150亿年前的一次大爆炸。大爆炸发生后的大约10-43s，宇宙进入了“普朗克时代”，这个时代的物质密度、空间尺度、时间经历都处于极限状态，温度可达1032K；当温度下降到1013K时，宇宙进入了“强子时代”，这时的宇宙有大量的质子、中子和其他粒子发生强相互作用；大爆炸之后大约1s，宇宙进入“轻子时代”，以电子、中微子和其他粒子发生弱相互作用为特征，并辐射出光子；大约1min后，宇宙进入“辐射时代”，此时的温度仍高达1010K，光辐射能量达到极大值，并逐渐开始简单的核合成；核合成时期结束之后，宇宙经历了“物质时代”，当温度下降到4000～3000K时，电子和质子几乎全部结合成氢原子。至10亿年前后星系开始形成，50亿年前后出现首批恒星，太阳系的形成则在100亿年前后。

关于太阳系的起源，到目前为止已有50余种假说，可以归纳为三大类：一类为星云说，这种假说认为太阳系所有天体是由同一个星云物质形成的，其附近有超新星爆发提供核能量；另一类假说为灾变说，认为先有一个原始的太阳，在后来在另一个天体的吸引或撞击下分离出大量的物质，形成行星和卫星等天体；还有一类假说为俘获说，即先有一个原始太阳，以后太阳俘获了银河系中的其他物质，形成了行星和卫星等天体。

近30年来，随着天文学的巨大进步，科学家们建立了关于现代太阳系起源的假说，基本包括以下四个阶段(图1-3)。

图1-3 太阳系起源四阶段图示

(据吴泰然等，2003)

Ⅰ第一阶段：原始太阳气尘云与邻近的一颗即将成为超新星的星。

Ⅱ第二阶段：超新星爆发，原始太阳气尘云在超新星影响的范围之内，并从超新星的爆发中获得能量和重元素、放射性同位素等。

Ⅲ第三阶段：在超新星能量的推动下，太阳气尘云开始旋转并逐步形成中心的太阳。当太阳达到一定大的时候，内部开始发生热核反应，年轻的恒星，尤其是质量大的恒星开始向外抛射物质，在太阳系外围形成环绕太阳的环。

Ⅳ第四阶段：太阳系的中间部分形成太阳，环绕太阳的环逐渐凝聚成星子，并以星子为中心逐渐形成行星，行星的卫星也有着相似的过程。

太阳系形成初期，太阳周围的原始行星云和太阳都快速地旋转着，渐渐地被磁流体动力所减缓，使太阳系中的惯量重新分配，在太阳系星云的演化中，太阳可能以电磁力或湍流对流的形成向行星转移惯量。

对太阳系起源的各种假说，都有其不完善的地方，随着科学技术的发展，人们对宇宙的认识会逐渐加深，对地球和太阳系起源的认识也一定能更切合实际。

仙女座星系是距离银河系最近的一个大型星系，它与我们相距大约250万光年。光谱分析显示，仙女座星系正在以110 km/s的速度靠近银河系。并在大约38亿年后，与银河系开始合并。另一方面，当年哈勃的观测结果表明，宇宙正在膨胀。既然如此，为什么仙女座星系还会靠近银河系，并与银河系发生碰撞呢？

首先，我们来了解一下宇宙的膨胀是怎么回事。所谓的宇宙膨胀，其实是指空间本身的膨胀。宇宙中的大多数星系都在远离银河系，并不是因为那些星系本身的运动造成的，而是因为星系之间的空间持续膨胀，才导致星系之间互相远离。下面以气球为例，简单来说明一下空间膨胀。

把三维空间想象成二维的气球表面，并在气球上标出一些点来表示星系。当气球膨胀时，虽然气球上的每个点本身都是静止的，但它们之间会互相远离，因为每个点之间的距离随着气球膨胀而变大了。在每个点看来，其他点都在远离它，它就如同是膨胀的中心。并且距离越远的点，退行速度也会越快，因为距离越远，单位时间内它们之间的距离增加越多。宇宙的膨胀方式也是类似于此，所有的空间都在膨胀，从而导致空间之中的星系互相远离。那么，空间膨胀速率有多快呢？

哈勃常数可用于衡量空间膨胀速率，但这个常数很难精确测定，目前已知的数值大约为70(km/s)/Mpc（70千米每秒每百万秒差距）。1 Mpc相当于3,260,000 ly（326万光年），这意味着空间距离每增加326万光年，星系的退行速度就会相应增加70 km/s。举个例子，如果两个星系距离326亿光年，它们之间的退行速度约为7,000 km/s，如果两个星系距离326亿光年，它们之间的退行速度约为70,000 km/s。

从哈勃常数中可以看到，当尺度很小时，空间膨胀效应并不明显。仙女座星系距离银河系250万光年，由于空间膨胀会导致仙女座星系以54 km/s的速度远离银河系。这种退行速度并不快，两个星系之间的引力作用足以克服空间膨胀效应，从而使仙女座星系以110 km/s的速度接近银河系，并在38亿年发生合并。正是因为引力在小尺度下占据主导作用，我们的地球、太阳系以及银河系等结构才能形成。

此外，从哈勃常数中还能得出一个结论，那就是当星系的距离达到140亿光年时，它们之间的退行速度将会达到大约300,000 km/s，即达到了光速。这意味着距离银河系超过140亿光年的星系，都在超光速退行，它们现在发出的光不再会传播到地球上。

上个世纪末的研究发现，空间不但正在膨胀，而且这个速率还在持续增加。观如果宇宙空间继续像现在这样加速膨胀下去，本星系团中的其他星系最终都会远离我们而去，而本星系群中的几十个星系最终将会在引力的作用下合并成一个星系。到了遥远的未来，观察者再仰望夜空时，他们所能看到的只有自己星系中的天体，而宇宙中的其他星系都无法观测到。

虽然宇宙微波背景辐射不会随着空间膨胀而消失，但由于空间的加速膨胀，这些宇宙中最早的光的波长将会拉长到光年尺度，导致它们几乎无法被探测到。在遥远的未来，绵延在宇宙中的只有无尽的黑暗。