是否存在由于宇宙膨胀而掉出视线范围的星系?


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如果最远的星系以加速离开我们,使它们超过光速,那么我们应该期望它们随着时间的增加而从天空中消失。我们观察到了吗?我们能否指出下一个要消除的星系及其衰落时间?

我的问题涉及星系在所有速度范围内移动,而不仅仅是那些大于光速的星系。


YouTube上的这段视频显示了为什么星系即使很远也可以看见。youtube.com/watch?v=gzLM6ltw3l0(快进6分钟50秒,直到大约8分钟50秒才观看。)如果您继续观看9分钟以上,它将说明银河系必须走多远之所以被我们看到,是因为宇宙膨胀的速度快于光速。
RichS

@pela当然是定义问题,但是我在这里不同意。正如我在下面的评论中所提到的,星系一直都在离开我们的视界。从某种意义上说,这就是可观察的宇宙。
2016年

@Thriveth:在其他评论下查看评论。
佩拉

Answers:


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不。实际上情况恰恰相反。

(有关直观说明,请参见最后一段。)

一个普遍的误解是,我们看不到星系的后退速度快于光速。不是这种情况; 我们很容易看到星系以超光速运动。正如我认为大多数人会想到的那样,这并不与相对论相抵触,相对论说,没有任何东西能比c更快地通过空间。星系不会穿越太空(除非小速度为100-1000 km / s);相反,空间本身正在扩大,导致星系之间的距离增加。c

我们看到“超光速”星系

哈勃定律给出了银河系的后退速度v r e c = H 0vrec 其中 ħ 067.8

vrec=H0d,
是哈勃常数(Planck Collaboration等,2016)。该定律意味着星系比 比快退。在这里,选择下标“ HS”是因为星系比退缩慢的星系被称为“哈勃球”。距离的对象的红移为。H067.8kms1Mpc1
rHScH04400Mpc14.4Gly("Giga-lightyears")
ccrHSz1.6

考虑过去从一个遥远星系(例如,红移处的GN-z11)向银河系(MW)方向发射的光子。狭义相对论告诉我们,在局部,光子总是在处穿越空间。最初,光子因此以速度增加了它与GN-z11的距离。但是,即使光子向我们行进,由于宇宙的膨胀,它到MW的距离也会增加。随着光子到GN-z11的距离增加,同样的膨胀使光子以不断增加的速度从GN-z11中退出。此外,当它朝着MW行进时,它将缓慢地“克服”膨胀,直到达到z=11.1v=ccvrec=c。在无限短的时间内,它将保持原状。兆瓦后,从兆瓦开始测量,它将开始越来越快地传播。最终,它的速度(仍在MW的参考系中)将达到,此时它将达到MW。c

因此,即使GN-z11和MW在时彼此,我们仍然能够看到它。什么是或许更有悖常理的是,当GN-Z11发出我们今天看到的光,它退去甚至更快,。vrec=2.2cvrec4c

我们看到越来越多的遥远星系

但是,距离说,自从宇宙诞生以来,光就已经有时间行进了,这对我们可见的星系可以退缩的速度有一个限制。光从各个方向我们,因此我们位于半径的球体的中心。该球体称为“可观察的宇宙”,其表面(不是物理物)称为粒子层(因此下标为“ PH”)。粒子视界的星系在。rPHrPHvrec3.3c

随着时间的流逝,来自更遥远星系将到达我们身边。即增加。换句话说,可观察的宇宙的大小总是增加的,并且无论今天的宇宙有多快,今天可见的星系永远不会离开可观察的宇宙rPH

但是,由于未来的可观测星系将越来越红移,因此它们的光最终将移出可见范围,并进入越来越长的无线电波中。此外,每个检测到的光子之间的时间将增加,因此它们将变得越来越暗,因此实际上它们消失。

直观的解释

更好地理解为什么光能从比光快退的银河到达我们的好比喻是“橡皮筋上的蠕虫”:将(无限长的)橡皮筋(长度为10厘米)附着到墙壁上然后以您选择的任何恒定速度走开,例如1 m / s。开始之前,请将您的宠物蠕虫放在靠近墙壁的一端。它想回到您身边,并开始以1 cm / s的速度爬行,即比您慢100倍。它会永远到达你吗?如果从墙的角度看它,蠕虫和蠕虫都会移开,但是当您以恒定的速度后退时,蠕虫虽然起初较慢,但由于它在橡皮筋上运动而加速,但是蜗杆和壁之间的橡皮筋的尺寸增大。橡皮筋的其余部分当然也会增大尺寸,但这并没有。到达您的位置(尽管在此示例中,蠕虫将花费亿年,这时它可能已经失去了耐心。但是,如果您以10厘米/秒的速度行走,则只需要6个小时) 。1026

以此类推,您是MW,墙壁是GN-z11,蠕虫是光子。现在,如果你不走以恒定的速度,而且加快(这是暗能量的作用比喻),蠕虫可能会或可能达不到你,取决于你的速度。就像我们能够看到的遥远星系有一个极限。


请注意,由于距离遥远也意味着要时光倒流(因为光线已经花费了很长时间),我们实际上看不到这么远的星系,因为它们在历史的早期就没有形成。然而,我们确实看到了星系诞生的气体,可追溯到大爆炸之后的38万年前。


这是否意味着可观察到的宇宙边界以与银河系相同的速度“后退”?这是否意味着在给定半径定义的整个球体上逃逸速度是恒定的?
WaldemarGałęzinowski16年

@WaldemarGałęzinowski:我不确定我是否理解这个问题:当前位于边界的星系在v = 3.3c时退去。边界本身在另外1C离开,因为随着时间的推移,我们看到光从星系越来越远(忽略了一个事实,我们没有真正看到任何星系这个遥远,因为他们还没有形成)。关于您的最后一句话,没有“逃逸速度”之类的东西,但是如果您指的是衰退速度与我们的方向无关,那么是的,它仅取决于距离。
佩拉16-3-29

所以你是说宇宙的膨胀比光速还快?
iMerchant '16

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“换句话说,可观测的宇宙总是在增大,无论今天的星系有多快,今天可见的星系都永远不会离开。” 取决于所使用的状态方程。以幻象能量为主的宇宙中的事件视界将缩小。
Cumference爵士

1
@SirCumference:没错,我只考虑标准宇宙学。
pela

5

随着时间的流逝,有些星系目前不在可观测的宇宙中,这些星系将变为可观测的,但这并不是一个突然的眨眼。相反,在数亿年的历史中,我们将看到一个原始星系演化为成熟的星系。

例如,存在“斑点”,有人将其解释为氢在暗物质晕圈上的积聚。如果这种解释是正确的,那么最终由它形成的星系就在可观测的宇宙之外。但这不会一直如此。数十亿年以来,氢将形成恒星,而银河系将进入我们可观测的宇宙。我们没有看到新星系的突然出现,而是看到了数十亿年的演变。

有更大的红移效果。最终,星系将开始足够快地后退,以至它们在可检测性水平以下发生红移。建议在大约2万亿年中仅会看到本地星系。这又不是一个快速的过程(!)

因此,我们没有观察到银河系在宇宙视野中消失,也没有期望这样做。

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