Apakah ada galaksi yang jatuh keluar dari cakrawala karena ekspansi kosmik?

Jika galaksi terjauh lari dari kita dengan percepatan membuat mereka melampaui kecepatan cahaya, kita seharusnya berharap mereka menghilang dari langit di antara waktu dengan meningkatnya kuantitas. Apakah kita mengamati ini? Bisakah kita mengindikasikan galaksi berikutnya untuk dihilangkan dan waktu kemundurannya?

Pertanyaan saya menyangkut galaksi yang bergerak dengan semua rentang kecepatan, tidak hanya galaksi yang lebih besar dari kecepatan cahaya.

— Waldemar Gałęzinowski
sumber

Video YouTube ini menunjukkan mengapa galaksi menjadi terlihat meskipun sangat jauh. youtube.com/watch?v=gzLM6ltw3l0 (Maju cepat menjadi 6 menit dan 50 detik dan menonton hingga sekitar 8 menit dan 50 detik.) Dan jika Anda terus menonton selama 9 menit, ia akan mengatakan seberapa jauh galaksi harus tidak pernah dilihat oleh kita karena alam semesta akan mengembang lebih cepat dari cahaya.

— RichS

@pela Ini masalah definisi saja, tapi saya tidak setuju di sini. Seperti yang disebutkan dalam komentar saya di bawah ini, galaksi meninggalkan horizon peristiwa kita sepanjang waktu. Dalam arti, bahwa yang meninggalkan diamati Universe.

— Thriveth

@Thriveth: Lihat komentar di bawah komentar Anda yang lain.

— pela

Tidak. Sebenarnya yang terjadi adalah sebaliknya.

(Lihat paragraf terakhir untuk penjelasan intuitif.)

Adalah kesalahan umum bahwa galaksi surut lebih cepat dari kecepatan cahaya tidak terlihat oleh kita. Ini bukan kasusnya; kita dengan mudah melihat galaksi bergerak dengan kecepatan superluminal. Ini tidak - seperti yang saya pikir kebanyakan orang pikirkan - bertentangan dengan teori relativitas, yang mengatakan bahwa tidak ada yang dapat melakukan perjalanan melalui ruang lebih cepat daripada . Galaksi tidak bergerak melalui ruang angkasa (kecuali dengan kecepatan kecil 100-1000 km / s ); alih-alih, ruang itu sendiri mengembang, menyebabkan jarak antar galaksi meningkat. $c$

Kita melihat galaksi "super-luminal"

Kecepatan resesi dari galaksi diberikan oleh Hukum Hubble: mana adalah konstanta Hubble ( Planck Collaboration et al. 2016 ). Hukum ini menyiratkan bahwa galaksi lebih jauh dari Surut lebih cepat dari . Di sini, subskrip "HS" dipilih karena ragion di mana galaksi surut lebih lambat dari disebut "bola Hubble". Objek pada jarak memiliki pergeseran merah $v_\mathrm{rec}$

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

$z\simeq1.6$ .

Pertimbangkan foton yang dipancarkan dari galaksi jauh (katakanlah, GN-z11 di pergeseran merah ) di masa lalu, ke arah Bimasakti (MW). Apa yang dikatakan relativitas khusus kepada kita adalah bahwa secara lokal , foton selalu bergerak melalui ruang pada . Awalnya, foton dengan demikian meningkatkan jaraknya dari GN-z11 pada kecepatan . Namun, meskipun foton bergerak ke arah kita, jaraknya ke MW meningkat , karena ekspansi Semesta. Ketika foton meningkatkan jaraknya ke GN-z11, ekspansi yang sama menyebabkannya surut dari GN-z11 pada kecepatan yang terus meningkat. Selain itu, saat bergerak menuju MW, perlahan-lahan akan "mengatasi" ekspansi sampai mencapai titik di mana $z=11.1$ $v=c$ $c$ $v_\mathrm{rec} = c$ . Untuk periode yang sangat kecil, ia akan bertahan. MW, setelah itu akan mulai bergerak lebih cepat dan lebih cepat seperti yang diukur dari MW. Akhirnya, kecepatannya - masih dalam kerangka referensi MW - akan mencapai , pada titik mana ia akan mencapai MW. $c$

Dengan demikian, meskipun GN-z11 dan MW surut satu sama lain di , kami masih dapat melihatnya. Apa yang mungkin bahkan lebih berlawanan dengan intuisi adalah bahwa ketika GN-z11 memancarkan cahaya yang kita lihat hari ini, ia semakin surut , di . $v_\mathrm{rec} = 2.2c$ $v_\mathrm{rec} \sim 4c$

Kita melihat semakin banyak galaksi yang jauh

Namun, ada batas seberapa cepat sebuah galaksi yang terlihat oleh kita dapat surut, mengingat jarak yang dapat cahaya sejak Semesta diciptakan. Cahaya datang kepada kita dari segala arah, jadi kita berada di tengah lingkaran radius . Bola ini disebut "Alam Semesta yang dapat diamati", dan permukaannya (yang bukan benda fisik) disebut cakrawala partikel (oleh karena itu subskrip "PH"). Galaksi di cakrawala partikel menyusut di . $r_\mathrm{PH}$ $r_\mathrm{PH}$ $v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

Seiring dengan berjalannya waktu, cahaya dari galaksi yang-lebih-jauh akan menghubungi kami; yaitu meningkat. Dengan kata lain, Alam Semesta yang dapat diamati selalu bertambah besar, dan tidak ada galaksi yang terlihat hari ini yang akan meninggalkan Alam Semesta yang dapat diamati, tidak peduli kecepatannya . $^\dagger$ $r_\mathrm{PH}$

Namun, karena galaksi-galaksi yang dapat diamati di masa depan akan semakin banyak tergeser merah, cahayanya pada akhirnya akan bergeser keluar dari jangkauan yang terlihat dan menjadi gelombang radio yang lebih panjang dan lebih panjang. Selanjutnya, waktu antara setiap foton yang terdeteksi akan meningkat, sehingga mereka akan menjadi lebih redup dan redup, dan dengan demikian dalam praktiknya, mereka akan menghilang.

Penjelasan intuitif

Sebuah analogi yang baik untuk memahami lebih baik mengapa cahaya dapat mencapai kita dari sebuah galaksi yang surut lebih cepat dari cahaya, adalah "cacing pada karet gelang": Pasang gelang karet (infinite stretchable) (panjangnya, katakanlah, 10 cm) ke dinding dan berjalan pergi dengan kecepatan konstan yang Anda pilih, mis. 1 m / s. Sebelum Anda mulai, letakkan cacing peliharaan Anda di ujung dekat dinding. Ia ingin kembali kepada Anda, dan mulai merangkak pada 1 cm / s, yaitu 100 × lebih lambat dari Anda. Apakah itu akan pernah mencapai Anda? Jika Anda melihatnya dari perspektif dinding, Anda dan cacing menjauh, tetapi saat Anda mundur dengan kecepatan konstan, cacing, meskipun lebih lambat pada awalnya, berakselerasi karena bergerak pada karet gelang, tetapi bagian itu dari karet gelang antara cacing dan dinding bertambah besar. Sisa dari karet gelang tentu saja juga bertambah besar, tetapi itu tidakakan mencapai Anda (meskipun dalam contoh ini, itu akan memakan worm miliar tahun, pada titik itu ia mungkin telah kehilangan kesabaran. Tetapi jika Anda berjalan dengan hanya 10 cm / s, itu akan memakan waktu hanya 6 jam) . $10^{26}$

Dalam analogi ini, Anda adalah MW, dinding adalah GN-z11, dan worm adalah foton. Sekarang jika Anda tidak berjalan dengan kecepatan konstan, tetapi juga mempercepat (ini adalah analogi dari efek energi gelap), cacing itu mungkin atau mungkin tidak mencapai Anda, tergantung pada kecepatan Anda. Sama seperti ada batasan seberapa jauh galaksi kita akan dapat melihat.

$^\dagger$ _{Perhatikan bahwa karena jarak yang jauh juga berarti melihat ke masa lalu (karena cahaya telah menghabiskan waktu yang lama bepergian), kita sebenarnya tidak melihat galaksi sejauh ini, karena mereka belum membentuk ini di awal sejarah. Namun kita melihat gas dari mana galaksi dilahirkan, sejauh 380.000 tahun setelah Big Bang.}

— pela
sumber

Apakah ini berarti perbatasan alam semesta yang dapat diamati 'surut' dengan kecepatan yang sama dengan galaksi yang ditempatkan di atasnya? Apakah ini berarti kecepatan lepas konstan pada seluruh bola yang ditentukan oleh jari-jari tertentu?

— Waldemar Gałęzinowski

@ WaldemarGałęzinowski: Saya tidak yakin saya mengerti pertanyaan ini: Galaksi yang saat ini terletak di perbatasan surut di v = 3.3c. Perbatasan itu sendiri bergerak jauh di tambahan 1c, sejak seiring berjalannya waktu, kita melihat cahaya dari galaksi semakin jauh (mengabaikan fakta bahwa kita tidak benar-benar melihat setiap galaksi ini jauh, karena mereka belum terbentuk). Mengenai komentar terakhir Anda, tidak ada yang namanya "kecepatan melarikan diri", tetapi jika yang Anda maksud adalah kecepatan resesi tidak tergantung pada arah dari kami, maka ya, itu hanya tergantung pada jarak.

— pela

Jadi maksudmu perluasan jagat raya lebih cepat dari kecepatan cahaya?

— iMerchant

"Dengan kata lain, Alam Semesta yang dapat diamati selalu bertambah besar, dan tidak ada galaksi yang terlihat hari ini yang akan meninggalkan Alam Semesta yang dapat diamati, tidak peduli kecepatannya." Tergantung pada persamaan state yang digunakan. Horison peristiwa di alam semesta yang didominasi oleh energi hantu akan menyusut.

— Sir Cumference

@SirCumference: Anda benar bahwa saya hanya mempertimbangkan kosmologi standar.

— pela

Seiring berlalunya waktu, ada galaksi-galaksi yang saat ini tidak ada di alam semesta yang dapat diamati yang akan dapat diamati. Tetapi ini bukan sesuatu yang tiba-tiba berkedip. Sebaliknya, selama ratusan juta tahun kita akan melihat galaksi proto berevolusi menjadi galaksi yang matang.

Misalnya ada "gumpalan" hidrogen yang ditafsirkan oleh beberapa orang sebagai pertambahan hidrogen ke dark matter halo. Jika interpretasi ini benar, maka galaksi yang akhirnya terbentuk darinya berada di luar alam semesta yang dapat diamati. Tapi itu tidak akan tetap begitu. Lebih dari milyaran tahun, hidrogen akan membentuk bintang, dan galaksi akan berada di alam semesta kita yang dapat diamati. Kita tidak melihat kemunculan tiba-tiba galaksi baru, melainkan kita melihat evolusi selama miliaran tahun.

Ada efek pergeseran merah yang lebih besar. Akhirnya galaksi akan mulai mundur cukup cepat sehingga mereka bergeser merah di bawah tingkat kemampuan deteksi. Disarankan bahwa dalam sekitar 2 triliun tahun hanya galaksi lokal yang akan terlihat. Ini lagi bukan proses yang cepat (!)

Jadi kita tidak melihat galaksi menghilang di cakrawala kosmik, dan jangan berharap untuk melakukannya.

— James K
sumber