Astronomie

Gibt es Galaxien, die aufgrund der kosmischen Expansion aus dem Blickfeld geraten sind?

Gibt es Galaxien, die aufgrund der kosmischen Expansion aus dem Blickfeld geraten sind?

Wenn die am weitesten entfernten Galaxien mit einer Beschleunigung von uns weglaufen, wodurch sie die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, sollten wir erwarten, dass sie mit zunehmender Menge im Laufe der Zeit vom Himmel verschwinden. Haben wir das beobachtet? Können wir die nächsten zu eliminierenden Galaxien und den Zeitpunkt ihres Untergangs angeben?

Meine Frage betrifft Galaxien, die sich in allen Geschwindigkeitsbereichen bewegen, nicht nur über Lichtgeschwindigkeit.


Nein. Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall.

(Eine intuitive Erklärung finden Sie im letzten Absatz.)

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

Wir sehen "superluminale" Galaxien

Die Rezessionsgeschwindigkeit $v_mathrm{rec}$ einer Galaxie ist durch das Hubble-Gesetz gegeben: $$ v_mathrm{rec} = H_0 ,d, $$ wobei $H_0 simeq 67,8,mathrm{km} ,mathrm{s}^{-1},mathrm{Mpc}^{-1}$ ist die Hubble-Konstante (Planck Collaboration et al. 2016). Dieses Gesetz impliziert, dass Galaxien weiter entfernt als $$ r_mathrm{HS} equiv frac{c}{H_0} simeq 4400,mathrm{Mpc} simeq 14.4 , mathrm{Gly},, mathrm{("!!Gigambox{-}Lichtjahre!!")} $$ geht schneller zurück als $c$. Hier wird der Index "HS" gewählt, weil der Bereich, in dem sich Galaxien langsamer als $c$ zurückziehen, als "Hubble-Kugel" bezeichnet wird. Objekte im Abstand $r_mathrm{HS}$ haben eine Rotverschiebung von $zsimeq1.6$.

Betrachten Sie ein Photon, das von einer fernen Galaxie (zB GN-z11 bei Rotverschiebung $z=11.1$) in der Vergangenheit in Richtung der Milchstraße (MW) emittiert wurde. Was uns die spezielle Relativitätstheorie sagt, ist das örtlich, reist das Photon immer bei $v=c$ durch den Raum. Damit vergrößert das Photon zunächst seinen Abstand von GN-z11 mit der Geschwindigkeit $c$. Jedoch, obwohl sich das Photon auf uns zubewegt, nimmt seine Entfernung zu MW zu, aufgrund der Expansion des Universums. Wenn das Photon seinen Abstand zu GN-z11 vergrößert, führt dieselbe Ausdehnung dazu, dass es sich mit immer größerer Geschwindigkeit von GN-z11 zurückzieht. Darüber hinaus "überwindet" es auf seinem Weg in Richtung MW langsam die Expansion, bis es den Punkt erreicht, an dem $v_mathrm{rec} = c$ ist. Für einen verschwindend kleinen Zeitraum wird es standhaft bleiben. MW, danach beginnt es sich immer schneller zu bewegen, gemessen von MW. Schließlich erreicht seine Geschwindigkeit - noch im Bezugsrahmen von MW - $c$, an welchem ​​Punkt es MW erreicht hat.

Obwohl also GN-z11 und MW bei $v_mathrm{rec} = 2,2c$ voneinander zurücktreten, können wir es immer noch sehen. Was vielleicht noch widersprüchlicher ist, ist, dass GN-z11, als das Licht, das wir heute sehen, emittiert hat, zurückgegangen ist sogar schneller, bei $v_mathrm{rec} sim 4c$.

Wir sehen immer weiter entfernte Galaxien

Es gibt jedoch eine Grenze dafür, wie schnell sich eine für uns sichtbare Galaxie zurückziehen kann, gegeben durch die Entfernung $r_mathrm{PH}$, die das Licht seit der Entstehung des Universums zurücklegen konnte. Licht kommt aus allen Richtungen zu uns, wir befinden uns also im Zentrum einer Kugel mit dem Radius $r_mathrm{PH}$. Diese Kugel wird "das beobachtbare Universum" genannt, und ihre Oberfläche (die kein physisches Ding ist) wird als . bezeichnet Teilchenhorizont (daher der Index "PH"). Galaxien am Teilchenhorizont ziehen sich bei $v_mathrm{rec}simeq3.3c$ zurück.

Im Laufe der Zeit wird uns Licht von immer weiter entfernten Galaxien$^dagger$ erreichen; das heißt $r_mathrm{PH}$ steigt. Mit anderen Worten, das beobachtbare Universum wird immer größer, und keine heute sichtbare Galaxie wird das beobachtbare Universum jemals verlassen, egal wie schnell es ist.

Da zukünftige beobachtbare Galaxien jedoch immer mehr rotverschoben werden, verschiebt sich ihr Licht schließlich aus dem sichtbaren Bereich und in immer längere Radiowellen. Darüber hinaus wird die Zeit zwischen den einzelnen detektierten Photonen länger, so dass sie immer dunkler werden, und somit in der Praxis werden verschwinden.

Intuitive Erklärung

Eine gute Analogie zum besseren Verständnis, warum Licht aus einer Galaxie, die sich schneller als Licht zurückzieht, uns erreichen kann, ist der "Wurm auf einem Gummiband": Befestigen Sie ein (unendlich dehnbares) Gummiband (mit einer Länge von sagen wir 10 cm) an einer Wand und gehen Sie mit einer konstanten Geschwindigkeit, die Sie wählen, z 1m/s. Bevor Sie beginnen, platzieren Sie Ihren Haustierwurm am Ende in der Nähe der Wand. Es will zu dir zurückkommen und beginnt mit 1 cm/s zu kriechen, also 100x langsamer als du. Wird es dich jemals erreichen? Wenn man es aus der Perspektive der Wand betrachtet, bewegen sich sowohl Sie als auch der Wurm weg, aber während Sie mit konstanter Geschwindigkeit zurückweichen, beschleunigt der Wurm, obwohl anfangs langsamer, weil er sich auf dem Gummiband bewegt, aber das Teil des Gummibandes zwischen Wurm und Wand nimmt an Größe zu. Der Rest des Gummibandes nimmt natürlich auch an Größe zu, aber das macht nichts - solange man eine konstante Geschwindigkeit hat und der Wurm beschleunigt, ist es werden Sie erreichen (obwohl der Wurm in diesem Beispiel 10^{26}$ Milliarden Jahre braucht, an diesem Punkt hat er möglicherweise die Geduld verloren. Wenn Sie jedoch nur 10 cm/s gehen, dauert es nur 6 Stunden) .

In dieser Analogie sind Sie das MW, die Wand ist GN-z11 und der Wurm ist ein Photon. Wenn du jetzt nicht mit konstanter Geschwindigkeit gehst, aber ebenfalls beschleunigen (dies ist eine Analogie zur Wirkung der dunklen Energie), kann der Wurm Sie je nach Ihrer Geschwindigkeit erreichen oder nicht. Genauso wie es eine Grenze dafür gibt, wie weit entfernte Galaxien wir jemals sehen können.


$^dolch$Beachten Sie, dass wir, da große Entfernungen auch einen Blick in die Vergangenheit bedeuten (da das Licht lange gereist ist), tatsächlich keine so weit entfernten Galaxien sehen, da sie sich noch nicht so früh in der Geschichte gebildet hatten. Wir sehen jedoch das Gas, aus dem die Galaxien geboren wurden, bereits 380.000 Jahre nach dem Urknall.


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

Zum Beispiel gibt es einen "Klumpen" von Wasserstoff, den einige als die Anlagerung von Wasserstoff an einen Halo aus dunkler Materie interpretieren. Wenn diese Interpretation richtig ist, dann befindet sich die Galaxie, die sich schließlich daraus bildet, außerhalb des beobachtbaren Universums. Aber es 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 Auftauchen einer neuen Galaxie, sondern die Entwicklung über Milliarden von Jahren.

Es gibt einen Effekt einer stärkeren Rotverschiebung. Letztendlich werden sich Galaxien so schnell zurückziehen, dass sie unter die Nachweisgrenze rotverschoben 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 kein Verschwinden von Galaxien über einem kosmischen Horizont und erwarten dies auch nicht.