Existem galáxias que caíram do horizonte de visão devido à expansão cósmica?

Se as galáxias mais distantes fogem de nós com aceleração, fazendo-as exceder a velocidade da luz, devemos esperar que elas desapareçam do céu no tempo, com quantidades cada vez maiores. Nós observamos isso? Podemos indicar as próximas galáxias a serem eliminadas e seu tempo de declínio?

Minha pergunta diz respeito às galáxias que se deslocam com todas as faixas de velocidade, não apenas maiores que a velocidade da luz.

— Waldemar Gałęzinowski
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Este vídeo do YouTube mostra por que as galáxias se tornam visíveis mesmo estando muito distantes. youtube.com/watch?v=gzLM6ltw3l0 (Avance rapidamente para 6 minutos e 50 segundos e assista até cerca de 8 minutos e 50 segundos.) ser visto por nós porque o universo se expandirá mais rápido que a luz.

— Richs

@pela É uma questão de definição, é claro, mas eu discordo aqui. Como mencionado no meu comentário abaixo, galáxias deixam nosso horizonte de eventos o tempo todo. Em certo sentido, isso está deixando o universo observável.

— Thriveth

@ Thriveth: Veja o comentário em seu outro comentário.

— Pela

Não. De fato, o oposto é o caso.

(Veja o último parágrafo para uma explicação intuitiva.)

É uma crença comum que galáxias que se afastam mais rápido que a velocidade da luz não são visíveis para nós. Este não é o caso; vemos facilmente galáxias se movendo em velocidades superluminais. Isso não - como eu acho que a maioria das pessoas pensaria - contradiz a teoria da relatividade, que diz que nada pode viajar pelo espaço mais rápido que . As galáxias não viajam pelo espaço (exceto com pequenas velocidades de 100-1000 km / s ); pelo contrário, o próprio espaço está se expandindo, causando o aumento das distâncias entre as galáxias. $c$

Vemos galáxias "super-luminais"

A velocidade de recessão de uma galáxia é dada pela Lei de Hubble: onde é a constante do Hubble ( Planck Collaboration et al. 2016 ). Esta lei implica que galáxias mais distantes do que Retrocedem mais rápido que . Aqui, o subscrito "HS" é escolhido porque o ragião dentro do qual as galáxias recuam mais lentamente que é chamado de "esfera de Hubble". Objetos a uma distância de têm um desvio para vermelho 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 um fóton emitido de uma galáxia distante (digamos, GN-z11 no desvio para o vermelho ) no passado, na direção da Via Láctea (MW). O que a relatividade especial nos diz é que localmente , o fóton viaja sempre pelo espaço em . Inicialmente, o fóton aumenta sua distância do GN-z11 na velocidade . No entanto, mesmo que o fóton viaje em nossa direção, sua distância a MW aumenta , devido à expansão do Universo. À medida que o fóton aumenta sua distância ao GN-z11, a mesma expansão faz com que ele se afaste do GN-z11 a uma velocidade cada vez maior. Além disso, à medida que viaja em direção à MW, "supera" lentamente a expansão até chegar ao ponto em que $z=11.1$ $v=c$ $c$ $v_\mathrm{rec} = c$ . Por um período infinitesimalmente pequeno, ele permanecerá errado. MW, após o qual começará a viajar cada vez mais rápido, conforme medido a partir de MW. Eventualmente, sua velocidade - ainda no referencial da MW - chegará a , altura em que atingirá MW. $c$

Assim, mesmo que o GN-z11 e o MW se em , ainda podemos vê-lo. O que talvez seja ainda mais contra-intuitivo é que, quando o GN-z11 emitiu a luz que vemos hoje, ele retrocedeu ainda mais rapidamente, em . $v_\mathrm{rec} = 2.2c$ $v_\mathrm{rec} \sim 4c$

Vemos galáxias cada vez mais distantes

Há, no entanto, um limite para a rapidez com que uma galáxia visível para nós pode retroceder, dada pela distância que a luz teve tempo de viajar desde que o Universo foi criado. A luz chega até nós de todas as direções, então estamos situados no centro de uma esfera de raio . Essa esfera é chamada "o universo observável", e sua superfície (que não é uma coisa física) é chamada horizonte de partículas (daí o subscrito "PH"). As galáxias no horizonte de partículas estão retrocedendo em . $r_\mathrm{PH}$ $r_\mathrm{PH}$ $v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

Como o tempo passa, a luz de galáxias cada vez mais distantes vai chegar até nós; isto é, aumenta. Em outras palavras, o Universo observável sempre aumenta de tamanho, e nenhuma galáxia visível hoje jamais deixará o Universo observável, não importa sua velocidade . $^\dagger$ $r_\mathrm{PH}$

No entanto, como as galáxias futuras observáveis serão cada vez mais deslocadas para o vermelho, sua luz acabará saindo do alcance visível para ondas de rádio cada vez mais longas. Além disso, o tempo entre cada fotão detectado irá aumentar, de modo que será redutor e redutor, e, assim, na prática, que irá desaparecer.

Explicação intuitiva

Uma boa analogia para entender melhor por que a luz pode chegar até nós de uma galáxia que se afasta mais rapidamente do que a luz é o "verme em um elástico": prenda um elástico (elástico infinito) (de comprimento, digamos, 10 cm) a uma parede e afaste-se a qualquer velocidade constante que você escolher, por exemplo, 1 m / s. Antes de começar, coloque seu verme de estimação no final próximo à parede. Ele quer voltar para você e começa a engatinhar a 1 cm / s, ou seja, 100 × mais lento que você. Será que algum dia chegará até você? Se você olhar da perspectiva da parede, você e o verme se afastam, mas enquanto você recua a uma velocidade constante, o verme, embora mais lento no começo, acelera porque se move no elástico, mas a parte do elástico entre o verme e a parede aumenta de tamanho. O resto do elástico também aumenta de tamanho, mas isso não significachegará até você (embora, neste exemplo, o verme demore bilhões de anos, nesse ponto ele pode ter perdido a paciência. Mas se você andar a apenas 10 cm / s, levará apenas 6 horas) . $10^{26}$

Nesta analogia, você é o MW, a parede é GN-z11 e o worm é um fóton. Agora, se você não anda a uma velocidade constante, mas também acelera (isso é uma analogia do efeito da energia escura), o verme pode ou não alcançá-lo, dependendo da sua velocidade. Assim como há um limite para o quão distantes as galáxias poderemos ver.

$^\dagger$ _{Note-se que uma vez que grandes distâncias também significa olhar para trás no tempo (desde que a luz passou um longo tempo de viagem), nós realmente não vemos galáxias tão longe, já que não tinha formado tão cedo na história. No entanto, vemos o gás do qual as galáxias nasceram, já em 380.000 anos após o Big Bang.}

— pela
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Isso significa que a fronteira do universo observável "recua" com a mesma velocidade que as galáxias colocam nele? Isso significa que a velocidade de escape é constante em toda a esfera definida por um dado raio?

— Waldemar Gałęzinowski 29/03

@ WaldemarGałęzinowski: Não sei se entendi esta pergunta: Uma galáxia atualmente localizada na fronteira recua em v = 3.3c. A fronteira em si se afasta em adicionalmente 1c, uma vez que o tempo passa, vemos luz de galáxias cada vez mais longe (ignorando o fato de que nós não realmente ver quaisquer galáxias tão longe, uma vez que ainda não formado). Em relação à sua última observação, não existe uma "velocidade de escape", mas se você quer dizer que a velocidade da recessão é independente da direção de nós, então sim, depende apenas da distância.

— Pela

Então você está dizendo que a expansão do universo é mais rápida que a velocidade da luz?

— IMerchant

"Em outras palavras, o universo observável sempre aumenta de tamanho e nenhuma galáxia visível hoje jamais deixará o universo observável, não importa sua velocidade." Depende da equação de estado usada. O horizonte de eventos em um universo dominado por energia fantasma diminuirá.

— Sir Cumference

@SirCumference: Você está certo que eu considero apenas cosmologias padrão.

— pela

À medida que o tempo passa, existem galáxias que atualmente não estão no universo observável que se tornarão observáveis. Mas isso não é uma piscada repentina. Em vez disso, ao longo de centenas de milhões de anos, veremos uma galáxia proto evoluir para uma galáxia madura.

Por exemplo, há uma "bolha" de hidrogênio que alguns interpretam como sendo a acumulação de hidrogênio em um halo de matéria escura. Se essa interpretação estiver correta, a galáxia que eventualmente se forma dela estará fora do universo observável. Mas não vai continuar assim. Ao longo de bilhões de anos, o hidrogênio formará estrelas e a galáxia estará em nosso universo observável. Não vemos o surgimento repentino de uma nova galáxia, mas a evolução ao longo de bilhões de anos.

Há um efeito de maior desvio para o vermelho. Em última análise, as galáxias começarão a recuar rápido o suficiente para serem deslocadas para o vermelho abaixo do nível de detectabilidade. Sugere-se que em cerca de 2 trilhões de anos apenas as galáxias locais sejam visíveis. Novamente, este não é um processo rápido (!)

Portanto, não observamos galáxias desaparecendo no horizonte cósmico e não esperamos fazê-lo.

— James K
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