มีกาแลคซีใดบ้างที่หลุดออกมาจากขอบฟ้าเนื่องจากการขยายตัวของจักรวาล?

หากกาแลคซีที่ไกลที่สุดวิ่งหนีไปจากเราด้วยการเร่งความเร็วทำให้พวกมันเกินความเร็วแสงเราควรคาดหวังว่ามันจะหายไปจากท้องฟ้าในเวลาที่มีปริมาณเพิ่มขึ้น เราสังเกตสิ่งนี้หรือไม่? เราสามารถระบุกาแลคซีถัดไปเพื่อกำจัดและช่วงเวลาแห่งการตกต่ำได้หรือไม่?

คำถามของฉันเกี่ยวข้องกับกาแลคซีที่เคลื่อนที่ด้วยทุกช่วงความเร็วไม่ใช่แค่ช่วงความเร็วสูงกว่าเท่านั้น

— Waldemar Gałęzinowski
แหล่งที่มา

วิดีโอ YouTube นี้แสดงสาเหตุที่กาแลคซีปรากฏให้เห็นแม้ว่าจะอยู่ไกลมาก youtube.com/watch?v=gzLM6ltw3l0 (กรอไปข้างหน้าถึง 6 นาทีและ 50 วินาทีและดูจนถึงประมาณ 8 นาทีและ 50 วินาที) และถ้าคุณเฝ้าดูต่อไปในช่วง 9 นาทีมันจะบอกว่ากาแล็กซีจะต้องอยู่ห่างไกลแค่ไหน เราจะเห็นได้เพราะจักรวาลจะขยายเร็วกว่าแสง

— RichS

@pela มันเป็นเรื่องของคำจำกัดความของหลักสูตร แต่ฉันไม่เห็นด้วยที่นี่ ดังที่ได้กล่าวไว้ในความคิดเห็นของฉันด้านล่างกาแลคซีออกจากขอบฟ้าเหตุการณ์ของเราตลอดเวลา ในแง่หนึ่งนั่นคือการออกจากจักรวาลที่สังเกตได้

— เจริญเติบโต

@Thriveth: ดูความคิดเห็นภายใต้ความคิดเห็นอื่นของคุณ

— pela

ไม่ในความเป็นจริงตรงกันข้ามคือกรณี

(ดูย่อหน้าสุดท้ายสำหรับคำอธิบายที่เข้าใจง่าย)

$c$

เราเห็นกาแลคซี "super-luminal"

$v_\mathrm{rec}$

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

$z\simeq1.6$

ลองพิจารณาโฟตอนที่เปล่งออกมาจากกาแลคซีไกลโพ้น (เช่นGN-z11ที่ redshift ) ในอดีตตามทิศทางของทางช้างเผือก (MW) ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษบอกเราคือในพื้นที่โฟตอนจะเดินทางผ่านอวกาศที่เสมอ ในขั้นต้นโฟตอนจึงเพิ่มความมันระยะทางจาก GN-Z11 ที่ความเร็วคอย่างไรก็ตามถึงแม้ว่าโฟตอนจะเดินทางมาหาเราระยะทางถึง MW เพิ่มขึ้นเนื่องจากการขยายตัวของเอกภพ เมื่อโฟตอนเพิ่มระยะทางไปยัง GN-z11 การขยายตัวแบบเดียวกันทำให้มันถอยห่างจาก GN-z11 ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ยิ่งไปกว่านั้นเมื่อมันเดินทางไปยัง MW มันจะค่อยๆ "เอาชนะ" การขยายตัวจนกว่าจะถึงจุดที่ $z=11.1$ $v=c$ $c$ $v_\mathrm{rec} = c$ c สำหรับช่วงเวลาเล็ก ๆ น้อย ๆ มันจะยืน wrt MW หลังจากนั้นมันจะเริ่มเดินทางได้เร็วขึ้นและเร็วขึ้นเมื่อวัดจาก MW ในที่สุดความเร็วของมัน - ยังคงอยู่ในกรอบอ้างอิงของ MW - จะถึงซึ่ง ณ จุดนั้นจะถึง MW $c$

ดังนั้นแม้ว่า GN-z11 และ MW จะถอยห่างจากกันที่เรายังสามารถดูได้ อะไรคือสิ่งที่บางทีอาจจะขัดมากขึ้นก็คือว่าเมื่อ GN-Z11 ปล่อยออกมาแสงที่เราเห็นในวันนี้ก็ห่างแม้ได้เร็วขึ้นด้วย4c $v_\mathrm{rec} = 2.2c$ $v_\mathrm{rec} \sim 4c$

เราเห็นกาแลคซีไกลโพ้นมากขึ้นเรื่อย ๆ

อย่างไรก็ตามมีข้อ จำกัด ว่ากาแลคซีที่มองเห็นเราจะสามารถถอยห่างได้เร็วเพียงใดโดยระยะทางที่แสงมีเวลาเดินทางตั้งแต่สร้างจักรวาล แสงมาให้เราจากทุกทิศทางดังนั้นเราอยู่ในใจกลางของทรงกลมของรัศมีที่{} ทรงกลมนี้เรียกว่า "เอกภพที่สังเกตได้" และพื้นผิวของมัน (ซึ่งไม่ใช่สิ่งที่มีอยู่จริง) เรียกว่าขอบฟ้าของอนุภาค (ด้วยเหตุนี้ตัวห้อย "PH") กาแลคซี่ที่เส้นขอบฟ้าของอนุภาคที่มีการถอยที่v_ $r_\mathrm{PH}$ $r_\mathrm{PH}$ $v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

เมื่อเวลาผ่านไปแสงจากกาแลคซีไกลโพ้นมากจะมาถึงเรา นั่นคือเพิ่มขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่งจักรวาลที่สังเกตได้จะมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ และไม่มีกาแล็กซี่ที่มองเห็นได้ในปัจจุบันจะออกจากจักรวาลที่สังเกตได้ไม่ว่าจะมีความเร็วเท่าใดก็ตาม $^\dagger$ $r_\mathrm{PH}$

อย่างไรก็ตามเนื่องจากกาแลคซีที่สังเกตได้ในอนาคตจะมีการเปลี่ยนแปลงของสีแดงมากขึ้นเรื่อย ๆ แสงของพวกมันก็จะเลื่อนออกจากช่วงที่มองเห็นและกลายเป็นคลื่นวิทยุที่ยาวขึ้น นอกจากนี้เวลาระหว่างโฟตอนที่ตรวจพบแต่ละครั้งจะเพิ่มขึ้นดังนั้นพวกเขาจะหรี่และหรี่ลงและในทางปฏิบัติพวกเขาจะหายไป

คำอธิบายที่ใช้งานง่าย

การเปรียบเทียบที่ดีเพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้นว่าทำไมแสงสามารถมาถึงเราจากกาแลคซีที่หดตัวเร็วกว่าแสงคือ "หนอนบนแถบยาง": แนบแถบยาง (ยืดไม่สิ้นสุด) (ความยาวพูด 10 ซม.) กับผนัง และเดินออกไปด้วยความเร็วคงที่ที่คุณเลือกเช่น 1 m / s ก่อนที่จะเริ่มวางหนอนสัตว์เลี้ยงไว้ใกล้สุดกำแพง มันต้องการกลับมาหาคุณและเริ่มรวบรวมข้อมูลที่ 1 ซม. / วินาทีนั่นคือช้ากว่าคุณ 100 เท่า มันจะมาถึงคุณหรือไม่ ถ้าคุณมองจากมุมมองของกำแพงทั้งตัวคุณและตัวหนอนจะเคลื่อนที่ไป แต่ในขณะที่คุณถอยห่างด้วยความเร็วคงที่ตัวหนอนจะช้าลงในช่วงแรก แต่จะเร่งขึ้นเพราะมันเคลื่อนที่บนแถบยาง แต่ส่วนหนึ่ง ของแถบยางระหว่างตัวหนอนและผนังจะมีขนาดเพิ่มขึ้น ส่วนที่เหลือของยางรัดแน่นอนเพิ่มขนาด แต่ก็ไม่ได้จะเข้าถึงตัวคุณได้ (แม้ว่าในตัวอย่างนี้ก็จะใช้หนอนพันล้านปีจุดที่มันอาจจะหมดความอดทนของมัน. แต่ถ้าคุณเดินเพียง 10 ซม. / วินาทีก็จะใช้เวลาเพียง 6 ชั่วโมง) . $10^{26}$

ในการเปรียบเทียบนี้คุณคือ MW กำแพงคือ GN-z11 และหนอนเป็นโฟตอน ตอนนี้ถ้าคุณไม่เดินด้วยความเร็วคงที่ แต่ยังเร่งความเร็ว (นี่เป็นการเปรียบเทียบผลของพลังงานมืด) หนอนอาจหรืออาจไม่ถึงคุณขึ้นอยู่กับความเร็วของคุณ เหมือนมีข้อ จำกัด ว่าเราจะสามารถมองเห็นกาแลคซีไกลโพ้นได้อย่างไร

$^\dagger$ _{โปรดทราบว่าเนื่องจากระยะทางไกลหมายถึงการมองย้อนกลับไปในเวลา (เนื่องจากแสงใช้เวลาเดินทางนาน) เราจึงไม่เห็นกาแลคซีไกลโพ้นแห่งนี้เนื่องจากพวกเขาไม่ได้ก่อตัวขึ้นในช่วงต้นของประวัติศาสตร์ อย่างไรก็ตามเราเห็นก๊าซที่กาแลคซีเกิดมามากถึง 380,000 ปีหลังจากบิกแบง}

— pela
แหล่งที่มา

นี่หมายถึงชายแดนของเอกภพที่สังเกตได้ 'ลดความเร็ว' ด้วยความเร็วเดียวกับที่มีกาแลคซีวางอยู่บนโลก นี่หมายถึงความเร็วในการหลบหนีคงที่หรือทรงกลมตามที่กำหนดหรือไม่?

— Waldemar Gałęzinowski

@ WaldemarGałęzinowski: ฉันไม่แน่ใจว่าฉันเข้าใจคำถามนี้: กาแลคซีตั้งอยู่ที่ชายแดนลดระดับที่ v = 3.3c เส้นขอบเคลื่อนตัวออกไปด้วย 1c เนื่องจากเมื่อเวลาผ่านไปเราจะเห็นแสงจากกาแลคซีไกลออกไปมากขึ้น (ไม่สนใจความจริงที่ว่าเราไม่เห็นกาแลคซีใด ๆในบริเวณนี้เนื่องจากพวกมันยังไม่ก่อตัว) เกี่ยวกับคำพูดสุดท้ายของคุณไม่มีสิ่งใดที่เป็น "ความเร็วการหลบหนี" แต่ถ้าคุณหมายถึงความเร็วการถดถอยโดยไม่ขึ้นกับทิศทางจากเราดังนั้นใช่มันขึ้นอยู่กับระยะทางเท่านั้น

— pela

คุณกำลังบอกว่าการขยายตัวของเอกภพนั้นเร็วกว่าความเร็วแสงใช่ไหม

— iMerchant

"กล่าวอีกนัยหนึ่งจักรวาลที่สังเกตได้จะมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ และไม่มีกาแล็กซี่ที่มองเห็นได้ในปัจจุบันจะออกจากจักรวาลที่สังเกตได้ไม่ว่าจะมีความเร็วเท่าใดก็ตาม" ขึ้นอยู่กับสมการสถานะที่ใช้ ขอบฟ้าเหตุการณ์ในจักรวาลที่ถูกครอบงำด้วยพลังปีศาจจะหดตัวลง

— Sir Cumference

@SumCumference: คุณพูดถูกว่าฉันแค่พิจารณาเรื่องจักรวาลวิทยามาตรฐาน

— pela

เมื่อเวลาผ่านไปมีกาแลคซีที่ไม่ได้อยู่ในเอกภพที่สังเกตได้ซึ่งจะกลายเป็นสิ่งที่สังเกตเห็นได้ แต่นี่ไม่ใช่การกระพริบในทันที แต่แทนที่จะเป็นร้อย ๆ ล้านปีเราจะเห็นกาแลคซีโปรโตกลายเป็นกาแลคซีที่โตเต็มวัย

ตัวอย่างเช่นมี "หยด" ของไฮโดรเจนที่บางคนตีความว่าเป็นการเพิ่มของไฮโดรเจนลงบนรัศมีสสารมืด หากการตีความนี้ถูกต้องแสดงว่ากาแลคซีที่ก่อตัวจากนั้นอยู่นอกจักรวาลที่สังเกตได้ แต่มันคงไม่เป็นเช่นนั้น เป็นเวลาหลายพันล้านปีที่ไฮโดรเจนจะก่อตัวดาวฤกษ์และกาแลคซีจะอยู่ในเอกภพที่สังเกตเห็นได้ของเรา เราไม่เห็นกาแล็กซี่ใหม่ปรากฏขึ้นมาทันที แต่เราเห็นวิวัฒนาการมากกว่าพันล้านปี

มีผลของการเปลี่ยนเป็นสีแดงมากขึ้น ในที่สุดกาแลคซีจะเริ่มถอยห่างออกไปเร็วพอที่จะเคลื่อนไปทางแดงได้ต่ำกว่าระดับการตรวจจับ แนะนำว่าในประมาณ 2 ล้านล้านปีจะมีเพียงกาแลคซีท้องถิ่นเท่านั้นที่มองเห็นได้ นี่ไม่ใช่กระบวนการที่รวดเร็ว (!)

ดังนั้นเราไม่ได้สังเกตกาแลคซีที่หายไปบนขอบฟ้าของจักรวาลและไม่คาดหวังว่าจะทำเช่นนั้น

— เจมส์เค
แหล่งที่มา