Có thiên hà nào rơi khỏi tầm nhìn do sự giãn nở của vũ trụ không?

Nếu các thiên hà xa nhất chạy khỏi chúng ta với gia tốc khiến chúng vượt quá tốc độ ánh sáng, chúng ta nên mong đợi chúng biến mất khỏi bầu trời trong thời gian với số lượng tăng dần. Chúng tôi đã quan sát điều này? Chúng ta có thể chỉ ra các thiên hà tiếp theo để loại bỏ và thời gian suy giảm của chúng không?

Câu hỏi của tôi liên quan đến các thiên hà di chuyển với tất cả các phạm vi tốc độ, không chỉ những thiên hà lớn hơn tốc độ ánh sáng.

Trong thực tế thì ngược lại.

(Xem đoạn cuối để được giải thích trực quan.)

$c$

Chúng ta thấy các thiên hà "siêu luminal"

$v_\mathrm{rec}$

Hãy xem xét một photon phát ra từ một thiên hà xa xôi (giả sử, GN-z11 tại dịch chuyển đỏ ) trong quá khứ, theo hướng Dải Ngân hà (MW). Điều tương đối đặc biệt cho chúng ta biết là tại địa phương , photon luôn đi trong không gian tại . Ban đầu, photon do đó làm tăng khoảng cách từ GN-z11 với vận tốc . Tuy nhiên, mặc dù photon di chuyển về phía chúng ta, khoảng cách của nó đến MW tăng lên , do sự mở rộng của Vũ trụ. Khi photon tăng khoảng cách đến GN-z11, sự giãn nở tương tự làm cho nó rút ra khỏi GN-z11 với tốc độ ngày càng tăng. Hơn nữa, khi nó di chuyển về phía MW, nó sẽ từ từ "vượt qua" việc mở rộng cho đến khi đạt đến điểm$z=11.1$$v=c$$c$$v_\mathrm{rec} = c$ . Trong một khoảng thời gian cực kỳ nhỏ, nó sẽ đứng. MW, sau đó nó sẽ bắt đầu di chuyển nhanh hơn và nhanh hơn khi được đo từ MW. Cuối cùng, vận tốc của nó - vẫn trong khung tham chiếu của MW - sẽ đạt đến , tại thời điểm đó, nó sẽ đạt đến MW.$c$

Do đó, mặc dù GN-z11 và MW rút lui khỏi nhau tại , chúng tôi vẫn có thể thấy nó. Điều gì là thậm chí phản trực giác hơn là khi GN-Z11 phát ra ánh sáng chúng ta thấy ngày hôm nay, nó rút đi thậm chí nhanh hơn, ít .$v_\mathrm{rec} = 2.2c$$v_\mathrm{rec} \sim 4c$

Chúng ta thấy ngày càng nhiều thiên hà xa xôi

Tuy nhiên, có một giới hạn về tốc độ mà một thiên hà có thể nhìn thấy chúng ta có thể rút đi, được cho bởi khoảng cách mà ánh sáng đã có thời gian truyền đi kể từ khi Vũ trụ được tạo ra. Ánh sáng đến với chúng ta từ mọi hướng, vì vậy chúng ta nằm ở trung tâm của một hình cầu bán kính . Quả cầu này được gọi là "Vũ trụ quan sát được" và bề mặt của nó (không phải là vật chất) được gọi là chân trời hạt (do đó, chỉ số "PH"). Các thiên hà ở chân trời hạt đang rút xuống tại .$r_\mathrm{PH}$$r_\mathrm{PH}$$v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

Khi thời gian trôi qua, ánh sáng từ các thiên hà ngày càng xa xôi sẽ đến với chúng ta; đó là tăng. Nói cách khác, Vũ trụ quan sát được luôn tăng kích thước và không có thiên hà nào có thể nhìn thấy ngày nay sẽ rời khỏi Vũ trụ quan sát được, bất kể tốc độ của nó .$^\dagger$$r_\mathrm{PH}$

Tuy nhiên, do các thiên hà có thể quan sát được trong tương lai sẽ ngày càng bị dịch chuyển nhiều hơn, ánh sáng của chúng cuối cùng sẽ chuyển ra khỏi phạm vi có thể nhìn thấy và thành các bức xạ dài hơn và dài hơn. Hơn nữa, thời gian giữa mỗi photon được phát hiện sẽ tăng lên, vì vậy chúng sẽ mờ hơn và mờ hơn, và do đó trong thực tế, chúng sẽ biến mất.

Giải thích trực quan

Một sự tương tự tốt để hiểu rõ hơn tại sao ánh sáng có thể chiếu tới chúng ta từ một thiên hà suy thoái nhanh hơn ánh sáng, là "con sâu trên một dải cao su": Gắn một dải cao su (có thể kéo dài vô hạn) (có chiều dài 10 cm) vào tường và bỏ đi với bất kỳ tốc độ không đổi nào bạn chọn, ví dụ 1 m / s. Trước khi bạn bắt đầu, đặt con sâu thú cưng của bạn ở cuối gần tường. Nó muốn quay lại với bạn và bắt đầu bò với tốc độ 1 cm / s, tức là chậm hơn 100 × so với bạn. Nó sẽ bao giờ đến được với bạn? Nếu bạn nhìn nó từ góc độ của bức tường, cả bạn và con sâu đều di chuyển ra xa, nhưng trong khi bạn rút đi với tốc độ không đổi, con sâu, mặc dù ban đầu chậm hơn, tăng tốc vì nó di chuyển trên dải cao su, nhưng phần của dải cao su giữa con sâu và bức tường tăng kích thước. Phần còn lại của dây cao su tất nhiên cũng tăng kích thước, nhưng điều đó không 'sẽ đến được với bạn (mặc dù trong ví dụ này, nó sẽ mất con sâu tỷ năm, tại thời điểm đó nó có thể mất kiên nhẫn. Nhưng nếu bạn đi bộ chỉ 10 cm / s, sẽ chỉ mất 6 giờ) .$10^{26}$

Trong sự tương tự này, bạn là MW, bức tường là GN-z11 và con sâu là một photon. Bây giờ nếu bạn không đi bộ với tốc độ không đổi, nhưng cũng tăng tốc (đây là sự tương tự về hiệu ứng của năng lượng tối), con sâu có thể hoặc không thể tiếp cận bạn, tùy thuộc vào tốc độ của bạn. Giống như có một giới hạn cho việc các thiên hà xa xôi chúng ta sẽ có thể nhìn thấy như thế nào.

$^\dagger$ _{Lưu ý rằng vì khoảng cách lớn cũng có nghĩa là nhìn ngược thời gian (vì ánh sáng đã trải qua một thời gian dài), chúng ta thực sự không nhìn thấy các thiên hà ở xa như vậy, vì chúng đã hình thành sớm trong lịch sử. Tuy nhiên, chúng ta thấy khí từ các thiên hà được sinh ra, cách xa 380.000 năm sau Big Bang.}

Thời gian trôi qua, có những thiên hà hiện không có trong vũ trụ quan sát được sẽ trở nên có thể quan sát được nhưng đây không phải là một cái nháy mắt bất ngờ. Thay vào đó, qua hàng trăm triệu năm chúng ta sẽ thấy một thiên hà nguyên sinh phát triển thành một thiên hà trưởng thành.

Ví dụ, có một "đốm màu" của hydro mà một số người giải thích là sự tích tụ hydro lên quầng sáng vật chất tối. Nếu cách giải thích này là chính xác, thì thiên hà cuối cùng hình thành từ nó nằm ngoài vũ trụ quan sát được. Nhưng nó sẽ không còn như vậy. Trải qua hàng tỷ năm, hydro sẽ hình thành các ngôi sao và thiên hà sẽ ở trong vũ trụ quan sát được của chúng ta. Chúng ta không thấy sự xuất hiện đột ngột của một thiên hà mới, thay vào đó chúng ta thấy sự tiến hóa trong hàng tỷ năm.

Có một hiệu ứng của sự thay đổi màu đỏ lớn hơn. Cuối cùng, các thiên hà sẽ bắt đầu rút lui đủ nhanh để chúng bị dịch chuyển đỏ dưới mức có thể phát hiện được. Có ý kiến ​​cho rằng trong khoảng 2 nghìn tỷ năm chỉ có các thiên hà địa phương sẽ nhìn thấy được. Đây không phải là một quá trình nhanh chóng (!)

Do đó, chúng ta không quan sát các thiên hà biến mất trên một chân trời vũ trụ và không mong muốn làm như vậy.