Ci sono delle galassie che sono cadute fuori dall'orizzonte visivo a causa dell'espansione cosmica?

Se le galassie più lontane scappano da noi con accelerazione facendole superare la velocità della luce, dovremmo aspettarci che scompaiano dal cielo nel tempo con l'aumentare della quantità. Abbiamo osservato questo? Possiamo indicare le prossime galassie da eliminare e il loro tempo di declino?

La mia domanda riguarda le galassie che si muovono con tutte le gamme di velocità, non solo quelle superiori alla velocità della luce.

— Waldemar Gałęzinowski
fonte

Questo video di YouTube mostra perché le galassie diventano visibili anche se molto lontane. youtube.com/watch?v=gzLM6ltw3l0 (Avanzamento rapido a 6 minuti e 50 secondi e orologio fino a circa 8 minuti e 50 secondi.) E se continui a guardare oltre i 9 minuti, dirà quanto deve essere lontana una galassia essere visto da noi perché l'universo si espanderà più velocemente della luce.

— RichS

@pela Naturalmente è una questione di definizione, ma non sono d'accordo qui. Come menzionato nel mio commento qui sotto, le galassie lasciano continuamente il nostro orizzonte degli eventi. In un certo senso, questo sta lasciando l'Universo osservabile.

— Prosegue il

@Thriveth: vedi il commento sotto l'altro tuo commento.

— pela,

No. In effetti è vero il contrario.

(Vedi l'ultimo paragrafo per una spiegazione intuitiva.)

È un'incredulità comune che le galassie che retrocedono più velocemente della velocità della luce non ci siano visibili. Questo non è il caso; vediamo facilmente le galassie muoversi a velocità superluminali. Questo non - come penso la maggior parte della gente penserebbe - contraddice la teoria della relatività, che dice che nulla può viaggiare nello spazio più velocemente di . Le galassie non viaggiano attraverso lo spazio (tranne che con piccole velocità di 100-1000 km / s ); piuttosto, lo spazio stesso si sta espandendo, facendo aumentare le distanze tra le galassie. $c$

Vediamo galassie "super-luminali"

La velocità di recessione di una galassia è data dalla Legge di Hubble: dove è la costante di Hubble ( Planck Collaboration et al. 2016 ). Questa legge implica che le galassie siano più lontane di Retrocede più velocemente di . Qui viene scelto il pedice "HS" perché il ragione all'interno del quale le galassie si allontanano più lentamente di è chiamato "sfera di Hubble". Gli oggetti a una distanza di hanno un redshift di $v_\mathrm{rec}$

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

$z\simeq1.6$ .

Considera un fotone emesso da una galassia lontana (diciamo, GN-z11 a redshift ) in passato, nella direzione della Via Lattea (MW). Ciò che la relatività speciale ci dice è che localmente , il fotone viaggia sempre attraverso lo spazio a . Inizialmente, il fotone aumenta così la sua distanza da GN-z11 alla velocità . Tuttavia, anche se il fotone viaggia verso di noi, la sua distanza a MW aumenta , a causa dell'espansione dell'Universo. Man mano che il fotone aumenta la sua distanza a GN-z11, la stessa espansione fa sì che si allontani da GN-z11 a una velocità sempre crescente. Inoltre, mentre viaggia verso MW, "supererà" lentamente l'espansione fino a raggiungere il punto in cui $z=11.1$ $v=c$ $c$ $v_\mathrm{rec} = c$ . Per un periodo infinitamente piccolo, resisterà. MW, dopo di che inizierà a viaggiare sempre più velocemente come misurato da MW. Alla fine, la sua velocità - sempre nel quadro di riferimento di MW - raggiungerà , a quel punto avrà raggiunto MW. $c$

Pertanto, anche se GN-z11 e MW si allontanano l'uno dall'altro in , siamo ancora in grado di vederlo. Ciò che forse è ancora più controintuitivo è che quando GN-z11 ha emesso la luce che vediamo oggi, si è ritirato ancora più velocemente, in . $v_\mathrm{rec} = 2.2c$ $v_\mathrm{rec} \sim 4c$

Vediamo galassie sempre più distanti

Vi è, tuttavia, un limite alla velocità con cui una galassia visibile a noi può recedere, data dalla distanza che la luce ha avuto il tempo di viaggiare da quando l'Universo è stato creato. La luce ci arriva da tutte le direzioni, quindi siamo al centro di una sfera di raggio . Questa sfera è chiamata "l'Universo osservabile" e la sua superficie (che non è una cosa fisica) è chiamata orizzonte delle particelle (da cui il pedice "PH"). Le galassie all'orizzonte delle particelle stanno retrocedendo in . $r_\mathrm{PH}$ $r_\mathrm{PH}$ $v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

Col passare del tempo, la luce proveniente da galassie sempre più distanti ci raggiungerà; cioè aumenta. In altre parole, l'Universo osservabile aumenta sempre di dimensioni e nessuna galassia visibile oggi lascerà mai l'Universo osservabile, indipendentemente dalla sua velocità . $^\dagger$ $r_\mathrm{PH}$

Tuttavia, poiché le future galassie osservabili saranno sempre più spostate verso il rosso, la loro luce alla fine si sposterà fuori dal campo visibile e in onde radio sempre più lunghe. Inoltre, il tempo tra ogni fotone rilevato aumenta, in modo che sarà dimmer e dimmer, e quindi in pratica, si farà scomparire.

Spiegazione intuitiva

Una buona analogia per capire meglio perché la luce può raggiungerci da una galassia che si allontana più velocemente della luce, è il "verme su un elastico": attaccare un elastico (infinito estensibile) (di lunghezza, diciamo, 10 cm) a un muro e allontanati a qualsiasi velocità costante tu scelga, ad es. 1 m / s. Prima di iniziare, metti il tuo animale domestico alla fine vicino al muro. Vuole tornare da te e inizia a gattonare a 1 cm / s, cioè 100 × più lentamente di te. Ti raggiungerà mai? Se lo guardi dalla prospettiva del muro, sia tu che il verme vi allontanate, ma mentre vi ritirate a una velocità costante, il verme, sebbene all'inizio sia più lento, accelera perché si muove sull'elastico, ma la parte dell'elastico tra il verme e il muro aumenta di dimensioni. Anche il resto dell'elastico ovviamente aumenta di dimensioni, ma questo nonti raggiungerà (anche se in questo esempio occorreranno al worm miliardi di anni, a quel punto potrebbe aver perso la pazienza. Ma se cammini a soli 10 cm / s, ci vorranno solo 6 ore) . $10^{26}$

In questa analogia, sei il MW, il muro è GN-z11 e il worm è un fotone. Ora, se non si cammina a velocità costante, ma anche accelerare (questa è un'analogia degli effetti dell'energia oscura), il worm può o non può arrivare a te, a seconda delle vostre velocità. Proprio come c'è un limite a quanto distanti galassie saremo mai in grado di vedere.

$^\dagger$ _{Si noti che poiché grandi distanze significano anche guardare indietro nel tempo (poiché la luce ha trascorso molto tempo viaggiando), in realtà non vediamo galassie così lontane, poiché non si erano formate così presto nella storia. Tuttavia vediamo il gas da cui sono nate le galassie, già 380.000 anni dopo il Big Bang.}

— Pela
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Questo significa che il confine dell'universo osservabile "recede" con la stessa velocità con cui sono posizionate le galassie? Questo significa che la velocità di fuga è costante su tutta la sfera definita dal raggio dato?

— Waldemar Gałęzinowski,

@ WaldemarGałęzinowski: non sono sicuro di aver capito questa domanda: una galassia attualmente situata al confine si ritira in v = 3.3c. Il confine si allontana in aggiunta 1c, poiché il tempo passa, vediamo la luce da galassie sempre più lontano (ignorando il fatto che non si vede alcuna galassie questo lontano, poiché non hanno ancora formato). Per quanto riguarda la tua ultima osservazione, non esiste una "velocità di fuga", ma se intendi è la velocità di recessione indipendente dalla direzione da noi, allora sì, dipende solo dalla distanza.

— pela,

Quindi stai dicendo che l'espansione dell'universo è più veloce della velocità della luce?

— iMerchant,

"In altre parole, l'Universo osservabile aumenta sempre di dimensioni e nessuna galassia visibile oggi lascerà mai l'Universo osservabile, indipendentemente dalla sua velocità." Dipende dall'equazione di stato utilizzata. L'orizzonte degli eventi in un universo dominato dall'energia fantasma si ridurrà.

— Sir Cumference,

@SirCumference: hai ragione, io considero solo cosmologie standard.

— pela,

Col passare del tempo, ci sono galassie che attualmente non sono nell'universo osservabile che diventeranno osservabili Ma questo non è un improvviso ammiccamento. Invece, nel corso di centinaia di milioni di anni vedremo una proto galassia evolversi in una galassia matura.

Ad esempio, esiste una "macchia" di idrogeno che alcuni interpretano come l'accumulo di idrogeno su un alone di materia oscura. Se questa interpretazione è corretta, allora la galassia che alla fine si forma da essa è al di fuori dell'universo osservabile. Ma non rimarrà così. Per miliardi di anni l'idrogeno avrà formato le stelle e la galassia sarà nel nostro universo osservabile. Non vediamo l'improvvisa comparsa di una nuova galassia, piuttosto vediamo l'evoluzione nel corso di miliardi di anni.

Vi è un effetto di maggiore spostamento del rosso. Alla fine le galassie inizieranno a ritirarsi abbastanza velocemente da spostarsi verso il rosso al di sotto del livello di rilevabilità. Si suggerisce che tra circa 2 trilioni di anni saranno visibili solo le galassie locali. Anche questo non è un processo rapido (!)

Quindi non osserviamo le galassie che scompaiono su un orizzonte cosmico e non ci aspettiamo di farlo.

— James K
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