¿Hay galaxias que cayeron fuera del horizonte debido a la expansión cósmica?

Si las galaxias más lejanas huyen de nosotros con una aceleración que las hace superar la velocidad de la luz, deberíamos esperar que desaparezcan del cielo con el tiempo con una cantidad creciente. ¿Observamos esto? ¿Podemos indicar las próximas galaxias a eliminar y su tiempo de declive?

Mi pregunta se refiere a las galaxias que se mueven con todos los rangos de velocidad, no solo las mayores que la velocidad de la luz.

— Waldemar Gałęzinowski
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Este video de YouTube muestra por qué las galaxias se vuelven visibles a pesar de que están muy lejos. youtube.com/watch?v=gzLM6ltw3l0 (Avance rápido a 6 minutos y 50 segundos y mire hasta aproximadamente 8 minutos y 50 segundos). Y si sigue mirando pasados 9 minutos, dirá qué tan lejos debe estar una galaxia para nunca ser visto por nosotros porque el universo se expandirá más rápido que la luz.

— RichS

@pela Es una cuestión de definición, por supuesto, pero no estoy de acuerdo aquí. Como se menciona en mi comentario a continuación, las galaxias dejan nuestro horizonte de eventos todo el tiempo. En cierto sentido, eso está dejando el Universo observable.

— Thriveth

@Thriveth: Vea el comentario debajo de su otro comentario.

— pela

No. De hecho, lo contrario es el caso.

(Consulte el último párrafo para obtener una explicación intuitiva).

Es una creencia común que las galaxias que retroceden más rápido que la velocidad de la luz no son visibles para nosotros. Este no es el caso; fácilmente vemos galaxias moviéndose a velocidades superluminales. Esto, como creo que la mayoría de la gente pensaría, no contradice la teoría de la relatividad, que dice que nada puede viajar a través del espacio más rápido que . Las galaxias no viajan a través del espacio (excepto con pequeñas velocidades de 100-1000 km / s ); más bien, el espacio en sí mismo se está expandiendo, haciendo que las distancias entre las galaxias aumenten. $c$

Vemos galaxias "superluminales"

La velocidad de recesión de una galaxia está dada por la Ley de Hubble: donde es la constante de Hubble ( Planck Collaboration et al. 2016 ). Esta ley implica que las galaxias están más lejos que Retroceden más rápido que . Aquí, el subíndice "HS" se elige porque el tramo dentro del cual las galaxias retroceden más lentamente que se llama "esfera de Hubble". Los objetos a una distancia de tienen un desplazamiento al rojo de $v_\mathrm{rec}$

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

$z\simeq1.6$ .

Considere un fotón emitido desde una galaxia distante (digamos, GN-z11 en desplazamiento al rojo ) en el pasado, en la dirección de la Vía Láctea (MW). Lo que la relatividad especial nos dice es que localmente , el fotón siempre viaja a través del espacio en . Inicialmente, el fotón aumenta su distancia desde GN-z11 a velocidad . Sin embargo, a pesar de que el fotón viaja hacia nosotros, su distancia al MW aumenta , debido a la expansión del Universo. A medida que el fotón aumenta su distancia a GN-z11, la misma expansión hace que retroceda de GN-z11 a una velocidad cada vez mayor. Además, a medida que viaja hacia MW, lentamente "superará" la expansión hasta que llegue al punto donde $z=11.1$ $v=c$ $c$ $v_\mathrm{rec} = c$ . Durante un período infinitesimalmente pequeño, se mantendrá firme. MW, después de lo cual comenzará a viajar cada vez más rápido según lo medido desde MW. Finalmente, su velocidad, aún en el marco de referencia de MW, alcanzará , en cuyo punto habrá alcanzado MW. $c$

Por lo tanto, a pesar de que GN-z11 y MW retroceden entre sí en , aún podemos verlo. Lo que quizás sea aún más contradictorio es que cuando GN-z11 emitió la luz que vemos hoy, retrocedió aún más rápido, en . $v_\mathrm{rec} = 2.2c$ $v_\mathrm{rec} \sim 4c$

Vemos galaxias cada vez más distantes

Sin embargo, existe un límite para la rapidez con que una galaxia visible para nosotros puede retroceder, dada la distancia que la luz ha tenido tiempo de viajar desde que se creó el Universo. La luz nos llega desde todas las direcciones, por lo que estamos situados en el centro de una esfera de radio . Esta esfera se llama "el Universo observable", y su superficie (que no es una cosa física) se llama horizonte de partículas (de ahí el subíndice "PH"). Las galaxias en el horizonte de partículas están retrocediendo en . $r_\mathrm{PH}$ $r_\mathrm{PH}$ $v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

A medida que pasa el tiempo, la luz de galaxias cada vez más distantes nos alcanzará; es decir, aumenta. En otras palabras, el Universo observable siempre aumenta de tamaño, y ninguna galaxia visible hoy abandonará el Universo observable, sin importar su velocidad . $^\dagger$ $r_\mathrm{PH}$

Sin embargo, dado que las futuras galaxias observables se desplazarán cada vez más hacia el rojo, su luz eventualmente se desplazará fuera del rango visible hacia ondas de radio cada vez más largas. Por otra parte, el tiempo entre cada fotón detectado aumentará, por lo que será más tenue, y por lo tanto en la práctica, que va a desaparecer.

Explicación intuitiva

Una buena analogía para comprender mejor por qué la luz puede alcanzarnos desde una galaxia que retrocede más rápido que la luz, es el "gusano en una banda elástica": fije una banda elástica (de longitud infinita, digamos, 10 cm) a una pared y aléjese a la velocidad constante que elija, por ejemplo, 1 m / s. Antes de comenzar, coloque su gusano mascota al final cerca de la pared. Quiere volver a usted y comienza a gatear a 1 cm / s, es decir, 100 veces más lento que usted. ¿Alguna vez te llegará? Si lo mira desde la perspectiva de la pared, tanto usted como el gusano se alejan, pero mientras retrocede a una velocidad constante, el gusano, aunque más lento al principio, acelera porque se mueve en la banda de goma, pero la parte de la banda de goma entre el gusano y la pared aumenta de tamaño. El resto de la banda de goma, por supuesto, también aumenta de tamaño, pero eso note alcanzará (aunque en este ejemplo, le tomará al gusano billones de años, en ese momento puede haber perdido la paciencia. Pero si caminas a solo 10 cm / s, te llevará solo 6 horas) . $10^{26}$

En esta analogía, eres el MW, la pared es GN-z11 y el gusano es un fotón. Ahora, si no caminas a una velocidad constante, pero también aceleras (esto es una analogía del efecto de la energía oscura), el gusano puede o no alcanzarte, dependiendo de tus velocidades. Al igual que hay un límite de cuán lejanas galaxias podremos ver.

$^\dagger$ _{Tenga en cuenta que dado que las grandes distancias también significa mirar hacia atrás en el tiempo (ya que la luz ha pasado mucho tiempo viajando), en realidad no vemos galaxias tan lejos, ya que no se habían formado tan temprano en la historia. Sin embargo, sí vemos el gas del que nacieron las galaxias, tan lejos como 380,000 años después del Big Bang.}

— pela
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¿Significa esto que el borde del universo observable 'retrocede' con la misma velocidad que tienen las galaxias colocadas sobre él? ¿Significa esto que la velocidad de escape es constante en toda la esfera definida por un radio dado?

— Waldemar Gałęzinowski

@ WaldemarGałęzinowski: No estoy seguro de entender esta pregunta: una galaxia ubicada actualmente en la frontera retrocede en v = 3.3c. La frontera misma se aleja a 1c, además, ya medida que pasa el tiempo, vemos la luz de galaxias cada vez más lejos (ignorando el hecho de que en realidad no vemos ningún galaxias tan lejos, ya que aún no han formado). Con respecto a su último comentario, no existe una "velocidad de escape", pero si quiere decir que la velocidad de recesión es independiente de la dirección de nosotros, entonces sí, depende solo de la distancia.

— pela

¿Entonces estás diciendo que la expansión del universo es más rápida que la velocidad de la luz?

— iMerchant 01 de

"En otras palabras, el Universo observable siempre aumenta de tamaño, y ninguna galaxia visible hoy abandonará el Universo observable, sin importar su velocidad". Depende de la ecuación de estado utilizada. El horizonte de eventos en un universo dominado por la energía fantasma se reducirá.

— Sir Cumference

@SirCumference: Tienes razón en que solo considero cosmologías estándar.

— pela

A medida que pasa el tiempo, hay galaxias que actualmente no están en el universo observable que se volverán observables, pero esto no es un guiño repentino. En cambio, durante cientos de millones de años veremos una protogalaxia evolucionar en una galaxia madura.

Por ejemplo, hay una "gota" de hidrógeno que algunos interpretan como la acumulación de hidrógeno en un halo de materia oscura. Si esta interpretación es correcta, entonces la galaxia que finalmente se forma a partir de ella está fuera del universo observable. Pero no seguirá siendo así. Durante miles de millones de años, el hidrógeno habrá formado estrellas, y la galaxia estará en nuestro universo observable. No vemos la aparición repentina de una nueva galaxia, sino que vemos la evolución durante miles de millones de años.

Hay un efecto de mayor desplazamiento hacia el rojo. Finalmente, las galaxias comenzarán a retirarse lo suficientemente rápido como para que se desplacen hacia el rojo por debajo del nivel de detectabilidad. Se sugiere que en alrededor de 2 billones de años solo las galaxias locales serán visibles. Esto nuevamente no es un proceso rápido (!)

Por lo tanto, no observamos que las galaxias desaparezcan en un horizonte cósmico, y no esperamos hacerlo.

— James K
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