地球は宇宙規模でどれくらいの速さで動いているのでしょうか？

地球という青い惑星は、自転軸の上で踊りながら太陽の周りをゆっくりと動くだけでなく、天の川の速度に従って宇宙の奥深くへと移動しています。

どの次元から観察しても、地球は常に動いています。青い惑星は自転しており、約 24 時間ごとに 1 回転します。地球は自転しながら太陽の周りを公転しており、毎年約10億キロメートルの距離を移動しています。太陽、惑星、衛星を含む太陽系全体は天の川銀河に位置し、人類の歴史を超えた時間スケールで天の川銀河の中心を周回しています。

さらに、天の川銀河は局部銀河群内を移動しており、局部銀河群自体も星間空間を移動しています。

地球上で地球の動きを感じることはほとんどできませんが、宇宙を観測することで、さまざまな宇宙スケールでの地球の動きを正確に理解することができます。

画像キャプション: NASAのメッセンジャー探査機が撮影した地球の写真

地球の自転速度

地球が自転する速度は単純な質問のように思えるかもしれませんが、実際には複雑で多様な答えがあり、地球上の特定の場所によって完全に異なります。

地球を「剛体」と考えると、地球表面上の各点の動きが他の点に対して比較的一定に保たれることを意味します。地球は軸の周りを一回転し、表面のほぼすべての地点が一回転します。これには通常私たちが考える 24 時間ではなく、約 23 時間 56 分 4.09 秒かかります。

これら 2 つの時間の差は、地球が太陽の周りを公転する影響によって生じます。つまり、日の出から次の日の出まで、または日の入りから次の日の入りまで、地球は 360 度以上回転する必要があるということです。

地球の平均半径は約 6,371 キロメートルですが、起伏のある地形や地球全体の形状 (赤道は膨らみ、両極は圧縮されている) により、特定の地点での回転速度は異なります。

たとえば、赤道上にいる人は地球とともに時速 1,676 km で回転しますが、北緯 45 度または南緯 45 度にいる人は時速 1,183 km と遅くなります。北極や南極では、人は回転しますが、実際には動いていません。

地球の自転は他の興味深い現象も引き起こします。例えば、高緯度地域では地球の中心に近いため、重力加速度が大きくなります。赤道付近では自転速度が速いため、ロケットを宇宙に打ち上げるのに必要なエネルギーが少なくて済みます。そのため、熱帯地域がロケット打ち上げに適した場所となっています。

さらに、月と太陽の潮汐作用により、地球の自転は徐々に遅くなり、地球の自転周期は年間約 14 ナノ秒ずつ増加します。約 40 億年前、太陽系の初期には、地球の自転は現在よりもはるかに速く、1 日は 24 時間ではなく 6 ～ 8 時間しかありませんでした。

地球が太陽の周りを公転する速度

地球が太陽の周りを公転する速度は、自転速度よりもはるかに速い。地球と太陽の平均距離は約1億5000万キロメートルです。安定したほぼ円軌道を維持するために、地球は秒速約30キロメートルの速度で移動する必要があります。

この速度は、地球が近日点から遠日点に移動するにつれて変化し、最大 30.29 km/s、最小 29.29 km/s に達し、その差は約 3% になります。

画像キャプション: 天の川銀河における太陽系の位置

太陽系が天の川銀河の中心を一周するのにどれくらいの時間がかかりますか？

天の川銀河には、星の重力の力を受けて銀河の中心にある超大質量ブラックホールの周りを回る何千億もの星が含まれています。私たちの太陽系もその中にあります。天の川銀河の中心から約27,000光年離れているにもかかわらず、巨大な重力によって「束縛」されており、天の川銀河の中心の周りを楕円軌道で回転しています。

太陽が天の川銀河を一周するのにかかる時間は非常に長く、およそ2億2000万年から2億5000万年です。つまり、太陽が最後に天の川銀河内の現在の位置にあったとき、恐竜が地球に出現したばかりだったのです。

天の川銀河における太陽の公転速度は約 220 km/s と推定されており、これは地球が太陽の周りを公転する速度の 7 倍に相当します。この値には約 20 km/s の不確実性があることに留意する必要があります。つまり、科学者による天の川銀河内の太陽の公転速度の計算精度はわずか 10% 程度に過ぎないということです。

画像キャプション: 太陽系の惑星の軌道面は、天の川銀河内の太陽の軌道から約 60 度離れています。

局部銀河群における天の川銀河の速度はどれくらいですか?

しかし、天の川銀河は宇宙の中で独立した銀河であるだけでなく、アンドロメダ銀河を含む他の銀河と相互作用する約 60 個の銀河からなる局部銀河群のメンバーでもあります。

私たちの銀河群の中で最大かつ最も質量の大きい銀河はアンドロメダ銀河です。この銀河は約 250 万光年離れており、質量は天の川銀河の 2 倍あると考えられます。

アンドロメダ銀河は、人間の時間スケールでその位置が時間とともにどのように変化するかを正確に追跡するには遠すぎるため、その移動速度を測定することができます。天文学者の観測によると、私たちとアンドロメダ銀河は秒速約301キロメートルの速度で接近しているそうです。

天の川銀河内の太陽の動きの方向と速度を組み合わせると、天の川銀河とアンドロメダ銀河は秒速 109 km の速度で接近していると結論付けることができます。これは、現在これら 2 つの銀河が衝突している過程にあることを意味し、約 40 億年後には壮大な銀河の合体がゆっくりと始まると予想されています。

画像キャプション: この写真セットは、地球上空に現れる天の川とアンドロメダ銀河の徐々に融合する様子を描いています。

局部銀河群は星間空間をどのくらいの速さで移動しているのでしょうか?

局部銀河群が銀河間空間を移動する速度に関しては、状況は複雑かつ興味深いものです。より広い宇宙では、おとめ座超銀河団は強力な重力源として機能し、局部銀河群を約 300 km/s の速度で引き寄せています。

しかし、宇宙の反対側では、物質がほとんどない領域が同様の速度で私たちをはじき返しています。引力と反発力の複合的な力により、宇宙におけるこの銀河群の総合的な移動速度は秒速約 600 キロメートルに達します。

宇宙規模で見ると、私たちはどこへ急いでいるのでしょうか?

地球の自転と公転、天の川銀河内の太陽の動き、天の川銀河とアンドロメダ銀河の相対的な動き、周囲の宇宙構造の影響を受ける局部銀河群の動きを組み合わせると、次のような結論を導き出すことができます。宇宙で移動する総速度は、どの瞬間においても約 368 km/s で、獅子座の方向を指しています。

この速度は地球の公転の変化により年間を通じて変動し、最大で毎秒 30 キロメートルまで変化することがあります。この結論は、宇宙マイクロ波背景放射の測定によって裏付けられています。宇宙マイクロ波背景放射は、私たちが移動している方向（獅子座）ではより高温で、反対方向（水瓶座）ではより低温です。

「地球は宇宙をどれくらいの速さで動いているのか？」という質問に正確に答えるには、明確な参照が必要です。それは地球自体の自転速度でしょうか、それとも太陽に対する相対的な動きでしょうか?それは天の川銀河や局部銀河群と相対的なものでしょうか、それとも宇宙の他の大規模構造と相対的なものでしょうか?それとも、ビッグバンから残った宇宙マイクロ波背景と関連しているのでしょうか?宇宙には絶対的な静止は存在しません。すべては絶えず動き、相互作用しています。

科学研究の深化と天の川銀河地図の精度向上により、将来的には、現在の想像をはるかに超える精度で、地球や宇宙における局部銀河群の動きをより正確に予測できるようになることが期待されます。

参考文献

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/fast-earth-move/

編集者: Wen Xing

レビュー者: 北京天文館研究司書 Li Xin