Gibt es Galaxien, die aufgrund der kosmischen Expansion außer Sichtweite geraten sind?

Wenn die am weitesten entfernten Galaxien mit Beschleunigung von uns weglaufen und die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, sollten wir erwarten, dass sie mit der Zeit mit zunehmender Menge vom Himmel verschwinden. Haben wir das beobachtet? Können wir die nächsten zu eliminierenden Galaxien und ihre Zeit des Niedergangs angeben?

Meine Frage betrifft Galaxien, die sich mit allen Geschwindigkeitsbereichen bewegen, nicht nur mit Galaxien, die größer als die Lichtgeschwindigkeit sind.

— Waldemar Gałęzinowski
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Dieses YouTube-Video zeigt, warum Galaxien sichtbar werden, obwohl sie sehr weit entfernt sind. youtube.com/watch?v=gzLM6ltw3l0 (Schneller Vorlauf auf 6 Minuten und 50 Sekunden und Beobachten bis ca. 8 Minuten und 50 Sekunden.) Und wenn Sie die letzten 9 Minuten weiter beobachten, wird angezeigt, wie weit eine Galaxie entfernt sein muss, um niemals zu sein von uns gesehen werden, weil sich das Universum schneller ausdehnen wird als Licht.

— RichS

@pela Es ist natürlich eine Frage der Definition, aber ich bin hier nicht einverstanden. Wie in meinem Kommentar unten erwähnt, verlassen Galaxien ständig unseren Ereignishorizont. In gewissem Sinne, dass sie das beobachtbare Universum zu verlassen.

— Thriveth

@ Thriveth: Siehe Kommentar unter Ihrem anderen Kommentar.

— Pela

Antworten:

Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall.

(Eine intuitive Erklärung finden Sie im letzten Absatz.)

Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass Galaxien, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit zurückgehen, für uns nicht sichtbar sind. Das ist nicht der Fall; Wir sehen leicht Galaxien, die sich mit superluminalen Geschwindigkeiten bewegen. Dies widerspricht nicht - wie ich denke, dass die meisten Leute denken würden - der Relativitätstheorie, die besagt, dass nichts schneller durch den Raum reisen kann als . Galaxien bewegen sich nicht durch den Weltraum (außer bei kleinen Geschwindigkeiten von 100-1000 km / s ); Vielmehr dehnt sich der Raum selbst aus, wodurch sich die Abstände zwischen den Galaxien vergrößern. $c$

Wir sehen "superluminale" Galaxien

Die Rezessionsgeschwindigkeit einer Galaxie ist durch das Hubble-Gesetz gegeben: $v_\mathrm{rec}$ wobei

v_{r e c} = {H.}_{0} d,

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

ist die Hubble-Konstante (Planck Collaboration et al. 2016). Dieses Gesetz impliziert, dass Galaxien weiter entfernt sind als

H_{0} ≃ 67.8 k m s^{- 1} {M p c}^{- 1}

$H_0 \simeq 67.8\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}\,\mathrm{Mpc}^{-1}$

treten schneller als

. Hier wird der Index" HS "gewählt, weil die Ragion, in der Galaxien langsamer als

zurücktreten, als" Hubble-Kugel "bezeichnet wird. Objekte in einem Abstand von

haben eine Rotverschiebung von

r_{H. S.} \equiv \frac{c}{{H.}_{0}} ≃ 4400 M. p c ≃ 14.4 G l y ("" G ich G ein - - l ich G h t y e ein 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

$z\simeq1.6$

$z=11.1$ $v=c$ $c$ $v_\mathrm{rec} = c$ $c$

$v_\mathrm{rec} = 2.2c$ $v_\mathrm{rec} \sim 4c$

Wir sehen immer weiter entfernte Galaxien

$r_\mathrm{PH}$ $r_\mathrm{PH}$ $v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

$^\dagger$ $r_\mathrm{PH}$

Da jedoch zukünftige beobachtbare Galaxien immer mehr rot verschoben werden, wird sich ihr Licht schließlich aus dem sichtbaren Bereich in immer längere Radiowellen verschieben. Darüber hinaus wird die Zeit zwischen den einzelnen detektierten Photons erhöhen, so dass sie schwächer und schwächer werden, und somit in der Praxis, sie werden verschwinden.

Intuitive Erklärung

Eine gute Analogie zum besseren Verständnis, warum Licht von einer Galaxie, die schneller als Licht zurückgeht, zu uns gelangen kann, ist der "Wurm auf einem Gummiband": Befestigen Sie ein (unendlich dehnbares) Gummiband (mit einer Länge von beispielsweise 10 cm) an einer Wand und gehen Sie mit einer beliebigen konstanten Geschwindigkeit weg, z. B. 1 m / s. Bevor Sie beginnen, platzieren Sie Ihren Haustierwurm am Ende in der Nähe der Wand. Es möchte zu Ihnen zurückkehren und beginnt mit 1 cm / s zu kriechen, dh 100 × langsamer als Sie. Wird es dich jemals erreichen? Wenn Sie es aus der Perspektive der Wand betrachten, bewegen sich sowohl Sie als auch der Wurm weg, aber während Sie mit konstanter Geschwindigkeit zurücktreten, beschleunigt der Wurm, obwohl er am Anfang langsamer ist, weil er sich auf dem Gummiband, aber auf dem Teil bewegt des Gummibands zwischen der Schnecke und der Wand nimmt an Größe zu. Der Rest des Gummibands nimmt natürlich auch an Größe zu, aber das tut es nicht $10^{26}$

In dieser Analogie sind Sie das MW, die Wand ist GN-z11 und der Wurm ist ein Photon. Wenn Sie nun nicht mit konstanter Geschwindigkeit gehen, sondern auch beschleunigen (dies ist eine Analogie zum Effekt der dunklen Energie), kann der Wurm Sie je nach Geschwindigkeit erreichen oder auch nicht. Genauso wie es eine Grenze gibt, wie weit entfernte Galaxien wir jemals sehen können.

$^\dagger$

— Pela
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Bedeutet dies, dass die Grenze des beobachtbaren Universums mit der gleichen Geschwindigkeit "zurückgeht", auf der Galaxien platziert sind? Ist diese mittlere Fluchtgeschwindigkeit auf der gesamten Kugel konstant, die durch den gegebenen Radius definiert ist?

— Waldemar Gałęzinowski

@ WaldemarGałęzinowski: Ich bin mir nicht sicher, ob ich diese Frage verstehe: Eine Galaxie, die sich derzeit an der Grenze befindet, tritt bei v = 3.3c zurück. Die Grenze selbst bewegt sich zusätzlich um 1c weg, da wir mit der Zeit immer weiter entferntes Licht von Galaxien sehen (ohne die Tatsache zu berücksichtigen, dass wir tatsächlich keine so weit entfernten Galaxien sehen, da sie sich noch nicht gebildet haben). In Bezug auf Ihre letzte Bemerkung gibt es keine "Fluchtgeschwindigkeit", aber wenn Sie meinen, dass die Rezessionsgeschwindigkeit unabhängig von der Richtung von uns ist, dann hängt sie ja nur von der Entfernung ab.

— pela

Sie sagen also, die Expansion des Universums ist schneller als die Lichtgeschwindigkeit?

— IMerchant

"Mit anderen Worten, das beobachtbare Universum nimmt immer an Größe zu, und keine heute sichtbare Galaxie wird das beobachtbare Universum jemals verlassen, unabhängig von seiner Geschwindigkeit." Hängt von der verwendeten Zustandsgleichung ab. Der Ereignishorizont in einem von Phantomenergie dominierten Universum wird kleiner.

— Sir Cumference

@ SirCumference: Sie haben Recht, dass ich nur Standardkosmologien betrachte.

— Pela

Im Laufe der Zeit gibt es Galaxien, die sich derzeit nicht im beobachtbaren Universum befinden und beobachtbar werden. Dies ist jedoch kein plötzliches Augenzwinkern. Stattdessen werden wir über Hunderte von Millionen von Jahren sehen, wie sich eine Protogalaxie zu einer reifen Galaxie entwickelt.

Zum Beispiel gibt es einen "Blob" von Wasserstoff , den einige als die Anreicherung von Wasserstoff auf einem Halo aus dunkler Materie interpretieren. Wenn diese Interpretation korrekt ist, befindet sich die Galaxie, die sich schließlich daraus bildet, außerhalb des beobachtbaren Universums. Aber das wird nicht so bleiben. Über Milliarden von Jahren wird der Wasserstoff Sterne gebildet haben und die Galaxie wird sich in unserem beobachtbaren Universum befinden. Wir sehen nicht das plötzliche Erscheinen einer neuen Galaxie, sondern die Entwicklung über Milliarden von Jahren.

Es gibt einen Effekt einer stärkeren Rotverschiebung. Letztendlich beginnen sich Galaxien schnell genug zurückzuziehen, so dass sie unter das Niveau der Erkennbarkeit rot verschoben sind. Es wird vermutet, dass in etwa 2 Billionen Jahren nur lokale Galaxien sichtbar sein werden. Dies ist wiederum kein schneller Prozess (!)

Daher beobachten wir keine Galaxien, die über einem kosmischen Horizont verschwinden, und erwarten dies auch nicht.

— James K.
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