Чи є галактики, які випали з горизонту зору через космічне розширення?

Якщо найдальші галактики тікають від нас із прискоренням, завдяки чому вони перевищують швидкість світла, ми повинні очікувати, що вони з часом зникнуть з неба зі збільшенням кількості. Ми спостерігали це? Чи можемо ми вказати наступні галактики для усунення та час їх спаду?

Моє запитання стосується галактик, що рухаються з усіма діапазонами швидкостей, не тільки з більшою швидкістю світла.

— Вальдемар Галезіновський
джерело

Це відео на YouTube показує, чому галактики стають видимими, хоча вони дуже далеко. youtube.com/watch?v=gzLM6ltw3l0 (Швидкий вперед до 6 хвилин 50 секунд і дивись приблизно 8 хвилин 50 секунд.) А якщо ти будеш дивитися останні 9 хвилин, він скаже, наскільки далеко повинна бути галактика ніколи нас бачать, тому що Всесвіт буде розширюватися швидше, ніж світло.

— RichS

@pela Це звичайно питання визначення, але я тут не згоден. Як згадується в моєму коментарі нижче, галактики весь час залишають наш горизонт подій. У певному сенсі це залишає спостережуваний Всесвіт.

— Процвітає

@Thriveth: дивіться коментар під своїм іншим коментарем.

— пела

Ні. Насправді навпаки.

(Див. Останній абзац для інтуїтивного пояснення.)

Поширена помилка, що галактики, що відходять швидше, ніж швидкість світла, нам не видно. Це не так; ми легко бачимо галактики, що рухаються з надсвітніми швидкостями. Це не - як я думаю, більшість людей подумає - не суперечить теорії відносності, яка говорить, що ніщо не може подорожувати через космос швидше, ніж . Галактики не рухаються через космос (за винятком малих швидкостей 100-1000 км / с ); швидше, сам простір розширюється, внаслідок чого відстані між галактиками збільшуються. $c$

Ми бачимо «надсвітні» галактики

Швидкість спаду галактики задається Законом Хаббла: де - константа Хаббла ( Planck Collaboration et al., 2016 ). Цей закон передбачає, що галактики далі, ніж Відступає швидше, ніж . Тут підпис «HS» обраний тому, що рагіон, в межах якого галактики відступають повільніше, ніж , називається «сферою Хаббла». Об'єкти на відстані мають червоний зсув $v_\mathrm{rec}$

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

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

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{c}{H_{0}} ≃ 4400 M p c ≃ 14.4 G l y (" G i g a - l i g h t y e a 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

$z\simeq1.6$ .

Розглянемо фотон, випромінюваний з далекої галактики (скажімо, GN-z11 при червоному зміщенні ) у минулому, у напрямку Чумацького Шляху (МВт). Особлива відносність нам говорить про те, що локально фотон завжди рухається через простір при . Спочатку фотон таким чином збільшує відстань від GN-z11 зі швидкістю . Однак, хоча фотон рухається до нас, його відстань до МВт збільшується через розширення Всесвіту. Оскільки фотон збільшує відстань до GN-z11, те саме розширення призводить до того, що він відходить від GN-z11 з постійно зростаючою швидкістю. Більше того, по мірі подорожі до МВт вона повільно "долатиме" розширення, поки не досягне точки, де $z=11.1$ $v=c$ $c$ $v_\mathrm{rec} = c$ . Протягом нескінченно малого періоду воно буде стояти. МВт, після чого він почне рухатись все швидше і швидше, що вимірюється від МВт. Врешті-решт його швидкість - як і раніше в системі відліку MW - досягне , в цей момент вона досягне MW. $c$

Таким чином, навіть незважаючи на те, що GN-z11 і MW відходять один від одного на , ми все ще можемо це побачити. Що, можливо, ще більше контрунтує, що коли GN-z11 випромінює світло, яке ми бачимо сьогодні, воно відступило ще швидше, на . $v_\mathrm{rec} = 2.2c$ $v_\mathrm{rec} \sim 4c$

Ми бачимо все більш віддалені галактики

Однак існує обмеження того, наскільки швидко галактика, видима для нас, може відступити, задана відстані що світло мав час проїхати з моменту створення Всесвіту. Світло надходить до нас з усіх боків, тому ми розташовані в центрі сфери радіуса . Цю сферу називають "спостережуваним Всесвітом", а її поверхню (яка не є фізичною річчю) називають горизонтом частинок (звідси підпис "PH"). Галактики на горизонті частинок відходять у . $r_\mathrm{PH}$ $r_\mathrm{PH}$ $v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

З плином часу світло від все віддаленіших галактик досягне нас; тобто збільшується. Іншими словами, спостережуваний Всесвіт завжди збільшується в розмірах, і жодна галактика, видима сьогодні, ніколи не покине спостережувану Всесвіт, незалежно від її швидкості . $^\dagger$ $r_\mathrm{PH}$

Однак, оскільки майбутні спостережувані галактики будуть все більше і більше зміщуватися, їхнє світло з часом перейде з видимого діапазону в більш довгі і довші радіохвилі. Крім того, час між кожним виявленим фотоном буде збільшуватися, так що вони будуть диммером і диммером, і , отже , на практиці вони будуть зникати.

Інтуїтивне пояснення

Хорошою аналогією для кращого розуміння того, чому світло може дійти до нас із галактики, яка відступає швидше, ніж світло, є "черв'як на гумці": Прикріпіть (нескінченну розтягується) гумку (довжиною, скажімо, 10 см) до стіни і йдіть геть з будь-якою постійною швидкістю, яку ви обрали, наприклад, 1 м / с. Перш ніж почати, покладіть свого вихованця хробака на кінець біля стіни. Він хоче повернутися до вас і починає повзати зі швидкістю 1 см / с, тобто на 100 × повільніше, ніж ви. Чи коли-небудь він досягне? Якщо ви дивитесь на це з точки зору стіни, і ви, і черв'як відсуваєтесь, але тоді як ви відступаєте зі постійною швидкістю, черв’як, хоча спочатку повільніше, прискорюється, оскільки рухається на гумці, але частина гумки між черв'яком і стінкою збільшується в розмірах. Решта гумки, звичайно, також збільшуються в розмірах, але це не означає "дістанеться до вас (хоча в цьому прикладі це займе хробака мільярдів років, тоді він, можливо, втратив терпіння. Але якщо ви ходите лише 10 см / с, це займе всього 6 годин) . $10^{26}$

У цій аналогії ви - МВт, стінка - GN-z11, а черв'як - фотон. Тепер, якщо ви не ходите з постійною швидкістю, але також прискорюєтесь (це аналогія ефекту темної енергії), черв’як може або не може досягти вас, залежно від швидкості. Так само, як існує обмеження того, як далекі галактики ми коли-небудь зможемо побачити.

$^\dagger$ _{Зауважимо, що оскільки великі відстані також означають огляд назад у часі (оскільки світло тривалий час подорожує), ми насправді далеко не бачимо галактик, оскільки вони не сформували цього на початку історії. Однак ми бачимо газ, з якого народилися галактики, аж до 380 000 років після Великого вибуху.}

— пела
джерело

Чи означає це, що межа спостережуваної Всесвіту «відступає» з тією ж швидкістю, яку розміщують на ній галактики? Чи означає це швидкість втечі постійною для всієї сфери, визначеної заданим радіусом?

— Waldemar Gałęzinowski

@ WaldemarGałęzinowski: Я не впевнений, що розумію це питання: Галактика, яка зараз знаходиться на кордоні, відступає на v = 3.3c. Сама межа відсувається на додатково 1c, так як час йде, ми бачимо світло від галактик більш далі ( НЕ звертаючи уваги на те , що в дійсності ми не бачимо якихось - або галактик це далеко, так як вони ще не сформувалися). Стосовно вашого останнього зауваження, немає такого поняття, як "швидкість втечі", але якщо ви маєте на увазі швидкість спаду, незалежна від напрямку від нас, то так, це залежить лише від відстані.

— пела

Отже, ви кажете, що розширення Всесвіту швидше, ніж швидкість світла?

— iMerchant

"Іншими словами, спостережуваний Всесвіт завжди збільшується в розмірах, і жодна галактика, видима сьогодні, ніколи не покине спостережувану Всесвіт, незалежно від її швидкості". Залежить від рівняння використовуваного стану. Горизонт подій у Всесвіті, де панує фантомна енергія, зменшиться.

— Сер Камференція

@SirCumference: Ти маєш рацію, що я розглядаю лише стандартні космології.

— пела

З часом проходять галактики, які зараз не знаходяться у спостережуваному Всесвіті, які стануть спостережливими, але це не раптово підморгує. Натомість протягом сотень мільйонів років ми побачимо, як протогалактика перетвориться у зрілу галактику.

Наприклад, є "крапля" водню, яку деякі трактують як приріст водню на ореол темної речовини. Якщо це тлумачення правильне, то галактика, яка з часом утворюється з неї, знаходиться поза спостережуваним Всесвітом. Але це не залишиться таким. Протягом мільярдів років водень утворить зірки, і галактика опиниться у нашому спостережуваному Всесвіті. Ми не бачимо раптової появи нової галактики, швидше ми бачимо еволюцію протягом мільярдів років.

Відбувається ефект більшого зміщення червоного кольору. У кінцевому рахунку галактики почнуть відступати досить швидко, щоб вони були зміщені в червоний колір нижче рівня виявлення. Припускається, що приблизно через 2 трлн років будуть видні лише локальні галактики. Це знову не швидкий процес (!)

Таким чином, ми не спостерігаємо, як галактики зникають над космічним горизонтом і не сподіваємось на це.

— Джеймс К
джерело