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

Если самые отдаленные галактики убегают от нас с ускорением, заставляющим их превышать скорость света, мы должны ожидать, что они исчезнут с неба в течение времени с увеличением количества. Мы наблюдали это? Можем ли мы указать следующие галактики для устранения и время их упадка?

Мой вопрос касается галактик, движущихся со всеми скоростными диапазонами, а не только со скоростью, превышающей скорость света.

— Вальдемар Галензиновски
источник

Это видео на YouTube показывает, почему галактики становятся видимыми, даже если они очень далеко. youtube.com/watch?v=gzLM6ltw3l0 (Перейдите к 6 минутам и 50 секундам и смотрите примерно до 8 минут и 50 секунд.) И если вы продолжаете смотреть последние 9 минут, он скажет, насколько далеко должна быть галактика, чтобы никогда быть увиденным нами, потому что вселенная будет расширяться быстрее, чем свет.

— RichS

@pela Конечно, это вопрос определения, но я здесь не согласен. Как упоминалось в моем комментарии ниже, галактики все время покидают наш горизонт событий. В некотором смысле, что это оставить наблюдаемую Вселенную.

— процветает

@ Thriveth: Смотрите комментарий под вашим другим комментарием.

— Пела

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