Есть ли галактики, выпавшие из поля зрения из-за космического расширения?

На самом деле все наоборот.

(См. Последний абзац для интуитивного объяснения.)

Это распространенное заблуждение, что галактики, отступающие быстрее скорости света, нам не видны. Это не тот случай; мы легко видим галактики, движущиеся со сверхсветовыми скоростями. Это не противоречит, как я думаю, большинству людей, теории относительности, согласно которой ничто не может путешествовать в пространстве быстрее, чем . Галактики не путешествуют в космосе (за исключением малых скоростей 100-1000 км / с ); скорее, само пространство расширяется, вызывая увеличение расстояний между галактиками. $c$

Мы видим "сверхсветовые" галактики

Скорость спада галактики определяется законом Хаббла: где - постоянная Хаббла ( Planck Collaboration et al. 2016 ). Этот закон подразумевает, что галактики находятся дальше, чем Отступают быстрее, чем . Здесь нижний индекс «HS» выбран потому, что область, в которой галактики отступают медленнее, чем , называется «сферой Хаббла». Объекты на расстоянии имеют красное смещение $v_\mathrm{rec}$

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

$z\simeq1.6$ .

Рассмотрим фотон, испущенный из далекой галактики (скажем, GN-z11 с красным смещением ) в прошлом в направлении Млечного пути (MW). Что говорит нам специальная теория относительности, так это то , что локально фотон всегда путешествует в пространстве при . Изначально фотон, таким образом, увеличивает расстояние от GN-z11 со скоростью . Однако, хотя фотон движется к нам, его расстояние до МВт увеличивается из-за расширения Вселенной. Поскольку фотон увеличивает свое расстояние до GN-z11, то же самое расширение заставляет его отступать от GN-z11 с постоянно увеличивающейся скоростью. Более того, по мере продвижения к MW, он будет медленно «преодолевать» расширение, пока не достигнет точки, где $z=11.1$ $v=c$ $c$ $v_\mathrm{rec} = c$ . В течение бесконечно малого периода времени он будет стоять. МВт, после чего он начнет двигаться все быстрее и быстрее, если судить по МВт. В конце концов, его скорость - все еще в системе отсчета MW - достигнет , и в этот момент она достигнет MW. $c$

Таким образом, хотя GN-z11 и MW отступают друг от друга при , мы все еще можем это увидеть. Возможно, еще более нелогичным является то, что когда GN-z11 излучал свет, который мы видим сегодня, он отступал еще быстрее, в . $v_\mathrm{rec} = 2.2c$ $v_\mathrm{rec} \sim 4c$

Мы видим все больше и больше далеких галактик

Однако существует предел того, насколько быстро видимая нам галактика может отступить, учитывая расстояние которое свет успел пройти со времени создания Вселенной. Свет приходит к нам со всех сторон, поэтому мы находимся в центре сферы радиуса . Эта сфера называется "наблюдаемой Вселенной", а ее поверхность (которая не является физической вещью) называется горизонтом частиц (отсюда и индекс "PH"). Галактики на горизонте частиц отступают в . $r_\mathrm{PH}$ $r_\mathrm{PH}$ $v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

Со временем свет от все более отдаленных галактик достигнет нас; то есть увеличивается. Другими словами, наблюдаемая Вселенная всегда увеличивается в размерах, и ни одна галактика, видимая сегодня, никогда не покинет наблюдаемую Вселенную, независимо от ее скорости . $^\dagger$ $r_\mathrm{PH}$

Однако, поскольку будущие наблюдаемые галактики будут все больше и больше красного смещения, их свет в конечном итоге сместится за пределы видимого диапазона и перейдет в более длинные и длинные радиоволны. Кроме того, время между каждым обнаруженным фотоном будет увеличиваться, так что они будут диммером и диммером, и , следовательно , на практике они будут исчезать.

Интуитивное объяснение

Хорошей аналогией для лучшего понимания того, почему свет может достигать нас из галактики, которая отступает быстрее, чем свет, является «червяк на резинке»: прикрепите (бесконечно растягиваемую) резиновую ленту (длиной, скажем, 10 см) к стене и уходите с любой постоянной скоростью, которую вы выберете, например, 1 м / с. Прежде чем начать, положите вашего питомца червя в конце возле стены. Он хочет вернуться к вам и начинает ползать со скоростью 1 см / с, то есть в 100 раз медленнее, чем вы. Это когда-нибудь достигнет тебя? Если вы посмотрите на это с точки зрения стены, то и вы, и червь отодвинетесь, но, хотя вы отступаете с постоянной скоростью, червь, хотя и медленнее в начале, ускоряется, потому что он движется на резинке, а часть резинки между червем и стенкой увеличивается в размерах. Остальная часть резинки, конечно, также увеличивается в размерах, но это недойдет до вас (хотя в этом примере червю потребуется миллиардов лет, и в этот момент он может потерять терпение. Но если вы идете со скоростью всего 10 см / с, это займет всего 6 часов) , $10^{26}$

В этой аналогии вы - MW, стена - GN-z11, а червь - фотон. Теперь, если вы не идете с постоянной скоростью, но также ускоряетесь (это аналогия эффекта темной энергии), червь может достигать или не достигать вас, в зависимости от вашей скорости. Также как существует предел того, насколько далекие галактики мы сможем увидеть.

$^\dagger$ _{Обратите внимание, что, поскольку большие расстояния также означают оглядываться назад во времени (так как свет провел много времени в пути), мы на самом деле не видим галактик так далеко, поскольку они не сформировались так рано в истории. Однако мы видим газ, из которого родились галактики, еще в 380 000 лет после Большого взрыва.}

Пела
источник

Означает ли это, что граница наблюдаемой вселенной «отступает» с той же скоростью, на которой расположены галактики? Означает ли это, что скорость выхода постоянна на всей сфере, определенной данным радиусом?

Вальдемар Галензиновски

@ WaldemarGałęzinowski: Я не уверен, что понимаю этот вопрос: галактика, расположенная в настоящее время на границе, отступает при v = 3.3c. Сама граница отодвигается на дополнительно 1c, так как время идет, мы видим свет от галактик более дальше ( не обращая внимания на то , что в действительности мы не видим каких - либо галактик это далеко, так как они еще не сформировались). Что касается вашего последнего замечания, не существует такой вещи, как «скорость выхода», но если вы имеете в виду, что скорость спада не зависит от направления от нас, то да, она зависит только от расстояния.

Пела

То есть, вы говорите, что расширение вселенной быстрее скорости света?

iMerchant

«Другими словами, наблюдаемая Вселенная всегда увеличивается в размерах, и ни одна галактика, видимая сегодня, никогда не покинет наблюдаемую Вселенную, независимо от ее скорости». Зависит от используемого уравнения состояния. Горизонт событий во вселенной, где доминирует фантомная энергия, сократится.

сэр Cumference

@SirCumference: Вы правы, что я рассматриваю только стандартные космологии.

Пела

Со временем появляются галактики, которых в настоящее время нет в наблюдаемой вселенной, которые станут наблюдаемыми, но это не внезапное мигание. Вместо этого, через сотни миллионов лет мы увидим, как протогалактика превращается в зрелую галактику.

Например, существует «капля» водорода, которую некоторые интерпретируют как аккрецию водорода на гало темной материи. Если эта интерпретация верна, то галактика, которая в конечном итоге формируется из нее, находится за пределами наблюдаемой вселенной. Но так не будет. Через миллиарды лет водород сформирует звезды, и галактика будет в нашей наблюдаемой вселенной. Мы не видим внезапного появления новой галактики, скорее мы видим эволюцию в течение миллиардов лет.

Существует эффект большего красного смещения. В конечном итоге галактики начнут отступать достаточно быстро, чтобы они были смещены красным цветом ниже уровня обнаружения. Предполагается, что примерно через 2 триллиона лет будут видны только местные галактики. Это опять не быстрый процесс (!)

Таким образом, мы не наблюдаем исчезновения галактик над космическим горизонтом и не ожидаем этого.

Джеймс К
источник

Есть ли галактики, выпавшие из поля зрения из-за космического расширения?

Ответы:

Мы видим "сверхсветовые" галактики

Мы видим все больше и больше далеких галактик

Интуитивное объяснение