Czy są jakieś galaktyki, które wypadły poza horyzont widzenia z powodu kosmicznej ekspansji?

Jeśli najdalsze galaktyki uciekną od nas z przyspieszeniem, które przekraczają prędkość światła, powinniśmy oczekiwać, że znikną z nieba wraz ze wzrostem ilości. Czy to zaobserwowaliśmy? Czy możemy wskazać kolejne galaktyki do wyeliminowania i czas ich zanikania?

Moje pytanie dotyczy galaktyk poruszających się ze wszystkimi zakresami prędkości, nie tylko większymi niż prędkość światła.

— Waldemar Gałęzinowski
źródło

Ten film na YouTube pokazuje, dlaczego galaktyki stają się widoczne, mimo że są bardzo daleko. youtube.com/watch?v=gzLM6ltw3l0 (przewijanie do przodu do 6 minut i 50 sekund i obserwować aż do około 8 minut i 50 sekund). A jeśli będziesz oglądać przeszłość 9 minut, to będzie powiedzieć, jak daleko galaktyka musi być nigdy być widzianym przez nas, ponieważ wszechświat rozszerzy się szybciej niż światło.

— RichS

@pela To oczywiście kwestia definicji, ale nie zgadzam się tutaj. Jak wspomniano w moim komentarzu poniżej, galaktyki cały czas opuszczają horyzont zdarzeń. W pewnym sensie, że jest pozostawiając obserwowalny wszechświat.

— Kwitnie

@Thriveth: Zobacz komentarz pod innym komentarzem.

— pela

Nie. W rzeczywistości jest odwrotnie.

(Zobacz ostatni akapit, aby uzyskać intuicyjne wyjaśnienie).

Powszechnym błędem jest to, że galaktyki oddalające się szybciej niż prędkość światła nie są dla nas widoczne. Nie o to chodzi; z łatwością widzimy galaktyki poruszające się z prędkością nadświetlną. Nie jest to - jak sądzę większość ludzi myśli - sprzeczne z teorią względności, która mówi, że nic nie może podróżować w przestrzeni kosmicznej szybciej niż . Galaktyki nie przemieszczają się w przestrzeni kosmicznej (z wyjątkiem małych prędkości 100-1000 km / s ); raczej sama przestrzeń się rozszerza, powodując zwiększenie odległości między galaktykami. $c$

Widzimy galaktyki „superluminalne”

Prędkość recesji galaktyki wynika z prawa Hubble'a: $v_\mathrm{rec}$ w których

v_{r e c} = H_{0} d,

$v_\mathrm{rec} = H_0 \, d,$

jest stałą Hubble'a (Planck Collaboration i in. 2016). To prawo sugeruje, że galaktyki są dalej niż Cofają się szybciej niż. Tutaj wybiera się indeks dolny „HS”, ponieważ szmat, w którym galaktyki oddalają się wolniej niżnazywa się „kulą Hubble'a”. Obiekty w odległościmają przesunięcieczerwieni.

H_{0} ≃ 67.8 k m s^{- 1} {M p c}^{- 1}

$H_0 \simeq 67.8\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}\,\mathrm{Mpc}^{-1}$

r_{H. S.} \equiv \frac{do}{{H.}_{0}} ≃ 4400 M. p do ≃ 14.4 sol l y („ sol ja sol za - l ja sol h t y mi za r s „)

$r_\mathrm{HS} \equiv \frac{c}{H_0} \simeq 4400\,\mathrm{Mpc} \simeq 14.4 \, \mathrm{Gly}\,\,\mathrm{("\!\!Giga\mbox{-}lightyears\!\!")}$

c

$c$

c

$c$

r_{H S}

$r_\mathrm{HS}$

z ≃ 1.6

$z\simeq1.6$

Rozważmy foton emitowany z odległej galaktyki (powiedzmy GN-z11 przy przesunięciu ku czerwieni ) w przeszłości, w kierunku Drogi Mlecznej (MW). Szczególna teoria względności mówi nam, że lokalnie foton zawsze podróżuje w przestrzeni przy . Początkowo foton zwiększa zatem odległość od GN-z11 przy prędkości . Jednak nawet jeśli foton podróżuje w naszą stronę, jego odległość do MW rośnie , z powodu ekspansji Wszechświata. Gdy foton zwiększa swoją odległość do GN-z11, to samo rozszerzenie powoduje, że wycofuje się z GN-z11 z coraz większą prędkością. Co więcej, w miarę zbliżania się do MW, powoli „pokona” ekspansję, aż osiągnie punkt, w którym $z=11.1$ $v=c$ $c$ $v_\mathrm{rec} = c$ . Przez nieskończenie krótki okres będzie on trwał. MW, po której zacznie podróżować coraz szybciej, mierzone od MW. W końcu jego prędkość - wciąż w ramce odniesienia MW - osiągnie , w którym to momencie osiągnie MW. $c$

Tak więc, mimo że GN-z11 i MW oddalają się od siebie przy , nadal jesteśmy w stanie to zobaczyć. Być może jeszcze bardziej sprzeczne z intuicją jest to, że kiedy GN-z11 emitował światło, które widzimy dzisiaj, cofnął się jeszcze szybciej, na . $v_\mathrm{rec} = 2.2c$ $v_\mathrm{rec} \sim 4c$

Widzimy coraz bardziej odległe galaktyki

Istnieje jednak limit prędkości cofania się widocznej nam galaktyki, wynikającej z odległości którą światło miało czas na przebycie od czasu stworzenia Wszechświata. Światło dociera do nas ze wszystkich stron, więc jesteśmy usytuowani w centrum kuli o promieniu . Sfera ta nazywana jest „obserwowalnym Wszechświatem”, a jej powierzchnia (która nie jest rzeczą fizyczną) nazywana jest horyzontem cząstek (stąd indeks dolny „PH”). Galaktyki na horyzoncie cząstek w . $r_\mathrm{PH}$ $r_\mathrm{PH}$ $v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

Z biegiem czasu dociera do nas światło z coraz bardziej odległych galaktyk ; to jest wzrasta. Innymi słowy, obserwowalny Wszechświat zawsze powiększa się i żadna dzisiaj widoczna galaktyka nigdy nie opuści obserwowalnego Wszechświata, bez względu na jego prędkość . $^\dagger$ $r_\mathrm{PH}$

Ponieważ jednak przyszłe obserwowalne galaktyki będą coraz bardziej przesunięte ku czerwieni, ich światło ostatecznie przesunie się poza zasięg widzialny i będzie coraz dłuższe fale radiowe. Ponadto czas pomiędzy każdego wykrytego fotonu wzrośnie, więc będą ściemniacza i ściemniacza, a więc w praktyce, że będzie zanikać.

Intuicyjne wyjaśnienie

Dobrą analogią dla lepszego zrozumienia, dlaczego światło może docierać do nas z galaktyki, która cofa się szybciej niż światło, jest „robak na gumowej opasce”: przymocuj (nieskończoną rozciągliwą) gumową opaskę (o długości, powiedzmy, 10 cm) do ściany i odejdź z dowolną wybraną stałą prędkością, np. 1 m / s. Zanim zaczniesz, umieść swojego robaka na końcu przy ścianie. Chce się z tobą skontaktować i zaczyna czołgać się z prędkością 1 cm / s, czyli 100 razy wolniej niż ty. Czy kiedykolwiek do ciebie dotrze? Jeśli spojrzysz na to z perspektywy ściany, zarówno ty, jak i robak oddalicie się, ale podczas gdy cofacie się ze stałą prędkością, robak, choć na początku wolniejszy, przyspiesza, ponieważ porusza się po gumce, ale części gumki między robakiem a ścianą powiększa się. Reszta gumki oczywiście również powiększa się, ale to nie oznaczadotrze do ciebie (chociaż w tym przykładzie robak zajmie miliardów lat, w którym to momencie mógł stracić cierpliwość. Ale jeśli przejdziesz tylko 10 cm / s, zajmie to tylko 6 godzin) . $10^{26}$

W tej analogii jesteś MW, ścianą jest GN-z11, a robakiem jest foton. Teraz, jeśli nie chodzisz ze stałą prędkością, ale także przyspieszasz (jest to analogia do efektu ciemnej energii), robak może do ciebie dotrzeć, w zależności od prędkości. Tak jak istnieje granica tego, jak odległe galaktyki będziemy mogli kiedykolwiek zobaczyć.

$^\dagger$ _{Zauważ, że ponieważ duże odległości oznaczają również spoglądanie w przeszłość (ponieważ światło spędziło wiele czasu w podróży), tak naprawdę nie widzimy tak odległych galaktyk, ponieważ nie powstały tak wcześnie w historii. Widzimy jednak gaz, z którego powstały galaktyki, już w 380 000 lat po Wielkim Wybuchu.}

— pela
źródło

Czy oznacza to, że granica obserwowalnego wszechświata „cofa się” z tą samą prędkością, na której są umieszczone galaktyki? Czy to oznacza, że prędkość ucieczki jest stała dla całej kuli określona przez dany promień?

— Waldemar Gałęzinowski

@ WaldemarGałęzinowski: Nie jestem pewien, czy rozumiem to pytanie: galaktyka znajdująca się obecnie na granicy cofa się przy v = 3.3c. Sama granica przesuwa się dodatkowo o 1c, ponieważ wraz z upływem czasu widzimy światło z galaktyk coraz dalej (ignorując fakt, że tak naprawdę nie widzimy żadnych galaktyk tak daleko, ponieważ jeszcze się nie uformowały). Jeśli chodzi o twoją ostatnią uwagę, nie ma czegoś takiego jak „prędkość ucieczki”, ale jeśli masz na myśli to, że prędkość recesji jest niezależna od kierunku od nas, to tak, to zależy tylko od odległości.

— pela

Więc mówisz, że ekspansja wszechświata jest szybsza niż prędkość światła?

— iMerchant

„Innymi słowy, obserwowalny Wszechświat zawsze powiększa się i żadna dzisiejsza galaktyka nigdy nie opuści obserwowalnego Wszechświata, bez względu na jego prędkość”. Zależy od zastosowanego równania stanu. Horyzont zdarzeń we wszechświecie zdominowanym przez energię fantomową skurczy się.

— Sir Cumference

@ SirCumference: Masz rację, że rozważam tylko standardowe kosmologie.

— pela

W miarę upływu czasu istnieją galaktyki, których obecnie nie ma w obserwowalnym wszechświecie, które będą widoczne, ale nie jest to nagłe mrugnięcie. Zamiast tego przez setki milionów lat zobaczymy, jak proto-galaktyka ewoluuje w dojrzałą galaktykę.

Na przykład istnieje „kropla” wodoru, którą niektórzy interpretują jako narost wodoru na halo ciemnej materii. Jeśli ta interpretacja jest poprawna, to galaktyka, która ostatecznie z niej powstaje, znajduje się poza obserwowalnym wszechświatem. Ale tak nie pozostanie. W ciągu miliardów lat wodór utworzy gwiazdy, a galaktyka będzie w naszym obserwowalnym wszechświecie. Nie widzimy nagłego pojawienia się nowej galaktyki, a raczej ewolucję na przestrzeni miliardów lat.

Jest efekt większego przesunięcia ku czerwieni. Ostatecznie galaktyki zaczną się wycofywać na tyle szybko, że zostaną przesunięte na czerwono poniżej poziomu wykrywalności. Sugeruje się, że za około 2 tryliony lat będą widoczne tylko lokalne galaktyki. To znowu nie jest szybki proces (!)

Dlatego nie obserwujemy znikania galaktyk nad kosmicznym horyzontem i nie oczekujemy tego.

— James K.
źródło