银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系
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2023-06-10 02:40:15

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系?

我们所在的银河系是一个棒旋星系,之所以是棒旋而不是螺旋,其实主要是中心区域恒星密集区组成的形态差别,棒旋星系的中心的明亮区域好像一根长条形的棍子,我们的银河系正好是这种状态。从有关银河系的图片可以看出,它是一个类似于圆盘的形态,系内所有星体都围绕着中心区域作周而复始的运动。从表面上看,如果垂直于这个盘面向外飞行,应该更容易飞出银河系,那么实际上的情况会是怎么样的呢?

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系图1

目前我们所有的探测器都没有发射到银河系以外,即使是飞行了50年的旅行者1号和2号,严格意义上来说都没有离开太阳系。而我们之所能能够看到银河系的整体外观,这得益于利用计算机模型进行拼接和模拟的结果。早在200多年前,英国天文学家威廉.赫歇尔就通过长期对天空中的恒星进行观测,浓度绘制出了第一张银河系的地图,形状很不规则,这受制于人们观测恒星的不全面性。

而决定着天体地图的精准性的关键因素,在于明确天体的相对位置以及相互之间的距离,随着科学技术的不断发展和太空观测技术的持续进步,科学家们研制了更为精密的观测仪器,同时也研发了诸如光学、红外、X射线、射电等高端的观测技术,因此,银河系中观测到的恒星数量越来越多,它们的位置和相互距离都更加精确,在此基础上利用计算机模拟技术,就展现出了我们现在所看到的银河系模样。

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系图2

从观测的结果来看,银河系的直径大约在20万光年左右,拥有猎户臂、英仙臂、人马臂以及三千秒差距臂四条主要旋臂,我们所在的太阳系就处在其中的一条旋臂-猎户臂上,距离银心约2.6万光年。

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系图3

银河系的恒星数量大约在1000-4000亿颗之间,但分布极不均衡,其中在银河系中心区域3.2光年的范围之内,大约分布着4000万颗以上的恒星,这里是银河系恒星数量最为集中的区域,当与银心的距离越远,则恒星的数量就越少,星际物质的密度也随之降低。因此,从银河系以外看银河系的中心,其亮度要比其它区域明亮的多。据科学家估测,在银河系核心有一个非常明亮的密集恒星组成的椭球体形状,其长轴长度约1.2-1.5万光年,短轴长度约1万光年,其它区域的星体,则基本上沿着长轴所在平面围绕着银心作周期性的公转。

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系图4

除了银河系中心区域呈现椭球体之外,其它区域看上去就像一个圆盘,科学界称之为银盘,其实际厚度也能达到1万光年左右,银河系中90%以上的星际物质都集中在这个银盘之内。

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系图5

之所以形成这样的银盘形的星系组成形态,其实和太阳系中行星围绕太阳运动所形成的黄道平面一样,都是在星系的诞生过程中,各个星体吸收大量的星际物质所继承的角动量所致,特别是处于核心地位的星系中心,由于巨大的质量,形成占据主导地位的引力作用,使得一开始比较纷乱的星际物质旋转体系,逐渐在角动量守恒的原理下被拉伸为一个相对扁平的空间。在这个扁平的空间之内分布着密集的星际物质,而在空间之外,则星际物质密度非常稀薄,而且有逐渐被拉进这个体系的趋势。

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系图6

按照万有引力定律,一个物体所受到的万有引力大小,除了与引力源和自身的质量成正比以外,还与物体与引力源之间的距离平方成反比,除了这3个因素之外,再无影响万有引力大小的干扰来源。而在银河系内,一个物体不论是处在银盘之内,还是在银盘之外的上部,只要与银心的距离相同,那么它所受到的引力大小也完全一样。因此,垂直于银盘面发射飞行器,在初始状态下需要克服的引力也是完全一样的,但是,如果垂直盘面向外运动,则在单位时间内所远离银心的距离,要比沿着盘面向外运动时远离的距离小,从这里可以看出,垂直于盘面发射,不但不会比沿着盘面发射容易,反而需要的时间更长。

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系图7

此外,沿着盘面发射飞行器,由于沿途会经过许多大质量的星体,可以借助这些星体的巨大引力,通过调整合适的轨道可以实现利用引力加速的功能,这也就是我们常说的“引力弹弓效应”,从而使我们节省了大量的燃料,既节约了资金成本,也节约了时间成本。如果垂直发射,由于沿途的星际物质密度很低,基本上碰不到大质量的天体,想利用弹弓效应来加速也不可能,这就需要在发射时携带足够的燃料,无论是发射还是运行过程中都会大大增加能量的消耗。

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系图8

要想离开银河系,必须要满足一定的逃逸条件,就像离开地球,需要物体的运动速度达到第二宇宙速度(11.2公里/秒),而离开太阳引力的束缚,需要达到第三宇宙速度(16.7公里/秒),而要脱离银河系,则必须要达到第四宇宙速度,即银河系的逃逸速度。从目前掌握的银河系质量、地球与银心的距离来看,由于这些数值都是估测值,因此第四宇宙速度也只能以现有数据进行估算,大约在110-120公里/秒,而依靠目前我们的多级火箭提供的推力,与这个数值还有着非常大的差距,因此,从飞行速度上看也离开不了银河系。

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系图9

假如我们的技术水平突破了,可以达到银河系的逃逸速度120公里/秒,那么我们再看一下垂直于银盘面飞行,需要多久才能离开银河系。银河系的盘面厚度在1万光年,我们假设地球正好处于盘面的厚度中心,那么仅仅是离开银河系的银盘面,则需要1250万年,这个是以能够最低速度离开银河系盘面所需要的时间。假如我们掌握了可控核聚变技术,将飞行器的速度提高到光速的20%,那么离开银盘面也得需要1.25万年,那么离开银河系的有效引力半径范围(10万光年),减去地球和银心的距离2.6万光年,则至少还得需要18.5万年。大家试想一下,这么长的时间,发射飞行器还有何意义呢?在星际旅行中,如果飞行时间需要以几百上千年计,都是对研究的不负责,都是对生命的不负责,何况是几万几十万年呢?

况且再者来说,垂直于银盘面飞行,沿途基本上没有什么星体,发射飞行器进行科学探测本身的意义也就失去了,我们何必这样去做呢?

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系?

无论怎么飞,按现有的科学技术,人类都难以废除银行系。

根据目前观测的结果估计,银行系的直径约有十万光年,厚度则有1.2万光年,从数字上就会,的确是垂直方向的尺度更小一些,但是,即便是这个最小的厚度,也是人类依靠目前的技术难以逾越的“天河”。

为什么这样说呢?

第一、目前人类已经计算出第一宇宙速度(不落回地球的最小速度)是7.9公里/秒,第二宇宙速度(脱离地球吸引的最小速度)是11.2公里/秒,第三宇宙速度(脱离太阳吸引的最小速度)是16.7公里/秒,估计第四宇宙速度,也就是能脱离银河系的最低速度是人们比较认同的观点是,第四宇宙速度为110-120公里/秒。以115公里/秒的速度飞行,即便是银行系的最小厚度1.2万光年,需要的时间是

1.2万光年x9460730472581公里/光年/115公里/秒/31536000秒/年=31304117.77年,也就是3130万年,假定一个宇航员从35岁开始结束训练参加航行到65岁退休也就30年时间,那么这趟旅行至少需要3130/30=104代宇航员子子孙孙接力航行才勉强完成。

第二、即便是人类已经解决了长寿的问题,115公里/秒的速度如何达到并长期维持也是个难题。

银河系是一个圆盘形状的,如果我们垂直于银河系面飞行是不是更容易飞出银河系图10

目前人类科技的极限,能够用航天器产生的极限高速是美国NASA“朱诺号”号最高达到了73.7km/s,这个速度是不能载人的,如何解决高速载人的问题,是一个天大的难题。

所以说,即便是能沿着银行系垂直方向起飞,目前人类也无法飞出银河系。

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