Gibt es Galaxien, die aufgrund der kosmischen Expansion aus dem Sichthorizont verschwunden sind?

Nein. Im Gegenteil.

(Siehe den letzten Absatz für eine intuitive Erklärung.)

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

Wir sehen „superluminale“ Galaxien

Die Rezessionsgeschwindigkeit$v_\mathrm{rec}$einer Galaxie ist durch Hubbles Gesetz gegeben:

$$v_\mathrm{rec} = H_0 \, d,$$ wo $H_0 \simeq 67.8\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}\,\mathrm{Mpc}^{-1}$ist die Hubble-Konstante ( Planck Collaboration et al. 2016 ). Dieses Gesetz impliziert, dass Galaxien weiter entfernt sind als $$r_\mathrm{HS} \equiv \frac{c}{H_0} \simeq 4400\,\mathrm{Mpc} \simeq 14.4 \, \mathrm{Gly}\,\,\mathrm{("\!\!Giga\mbox{-}lightyears\!\!")}$$ schneller zurückgehen als $c$. Hier wird der tiefgestellte Index „HS“ gewählt, weil der Bereich, in dem sich Galaxien langsamer zurückziehen als $c$wird die "Hubble-Sphäre" genannt. Objekte in einer Entfernung von $r_\mathrm{HS}$haben eine Rotverschiebung von $z\simeq1.6$.

Stellen Sie sich ein Photon vor, das von einer entfernten Galaxie (z. B. GN-z11 bei Rotverschiebung ) emittiert wird$z=11.1$) in der Vergangenheit in Richtung der Milchstraße (MW). Was uns die spezielle Relativitätstheorie sagt, ist, dass das Photon lokal immer bei durch den Raum reist$v=c$. Das Photon entfernt sich also zunächst mit Geschwindigkeit von GN-z11$c$. Obwohl sich das Photon auf uns zubewegt, vergrößert sich jedoch sein Abstand zu MW aufgrund der Expansion des Universums. Wenn das Photon seinen Abstand zu GN-z11 vergrößert, führt die gleiche Ausdehnung dazu, dass es sich mit immer größerer Geschwindigkeit von GN-z11 zurückzieht. Darüber hinaus wird es, während es sich in Richtung MW bewegt, die Ausdehnung langsam "überwinden", bis es den Punkt erreicht, wo$v_\mathrm{rec} = c$. Für einen verschwindend kleinen Zeitraum wird es Bestand haben. MW, danach beginnt er sich immer schneller zu bewegen, gemessen von MW. Irgendwann wird seine Geschwindigkeit – immer noch im Referenzrahmen von MW – reichen$c$, an welchem ​​Punkt es MW erreicht haben wird.

Damit rücken GN-z11 und MW zwar voneinander ab$v_\mathrm{rec} = 2.2c$, wir können es immer noch sehen. Was vielleicht noch widersprüchlicher ist, ist, dass, als GN-z11 das Licht ausstrahlte, das wir heute sehen, es noch schneller zurückging, at$v_\mathrm{rec} \sim 4c$.

Wir sehen immer weiter entfernte Galaxien

Es gibt jedoch eine Grenze dafür, wie schnell sich eine für uns sichtbare Galaxie zurückziehen kann, die durch die Entfernung gegeben ist$r_\mathrm{PH}$Dieses Licht hatte die Zeit zu reisen, seit das Universum erschaffen wurde. Licht kommt aus allen Richtungen zu uns, also befinden wir uns im Zentrum einer Radiuskugel$r_\mathrm{PH}$. Diese Sphäre wird "das beobachtbare Universum" genannt, und ihre Oberfläche (die kein physikalisches Ding ist) wird als Teilchenhorizont bezeichnet (daher der tiefgestellte Index "PH"). Galaxien am Teilchenhorizont ziehen sich zurück$v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$.

Mit der Zeit Licht von immer weiter entfernten Galaxien$^\dagger$wird uns erreichen; das ist$r_\mathrm{PH}$erhöht sich. Mit anderen Worten, das beobachtbare Universum wird immer größer, und keine heute sichtbare Galaxie wird jemals das beobachtbare Universum verlassen, unabhängig von ihrer Geschwindigkeit .

Da zukünftig beobachtbare Galaxien jedoch immer mehr rotverschoben sein werden, wird sich ihr Licht schließlich aus dem sichtbaren Bereich in immer längere Radiowellen verschieben. Darüber hinaus wird die Zeit zwischen jedem detektierten Photon länger, so dass sie immer dunkler und dunkler werden und somit in der Praxis verschwinden .

Intuitive Erklärung

Eine gute Analogie zum besseren Verständnis, warum uns Licht aus einer Galaxie erreichen kann, die schneller als das Licht zurückweicht, ist der „Wurm am Gummiband“: Befestige ein (unendlich dehnbares) Gummiband (mit einer Länge von beispielsweise 10 cm) an einer Wand und gehen Sie mit einer konstanten Geschwindigkeit Ihrer Wahl davon, z. B. 1 m/s. Bevor Sie beginnen, platzieren Sie Ihren Haustierwurm am Ende in der Nähe der Wand. Es will zurück zu dir und beginnt mit 1 cm/s zu kriechen, also 100× langsamer als du. Wird es dich jemals erreichen? Wenn Sie es aus der Perspektive der Wand betrachten, entfernen Sie sich und der Wurm, aber während Sie sich mit konstanter Geschwindigkeit zurückziehen, beschleunigt der Wurm, obwohl er am Anfang langsamer ist, weil er sich auf dem Gummiband bewegt, aber das Teil des Gummibandes zwischen Schnecke und Wand vergrößert sich. Der Rest des Gummibandes wird natürlich auch größer, aber das tut es nichtwird Sie erreichen (obwohl es in diesem Beispiel den Wurm nehmen wird$10^{26}$Milliarden Jahre, an diesem Punkt hat es möglicherweise die Geduld verloren. Aber wenn Sie mit nur 10 cm/s gehen, dauert es nur 6 Stunden).

In dieser Analogie sind Sie der MW, die Wand ist GN-z11 und der Wurm ist ein Photon. Wenn Sie nun nicht mit konstanter Geschwindigkeit gehen, sondern auch beschleunigen (dies ist eine Analogie zur Wirkung dunkler Energie), kann der Wurm Sie erreichen oder auch nicht, abhängig von Ihrer Geschwindigkeit. Genauso wie es eine Grenze gibt, wie weit entfernte Galaxien wir jemals sehen können.

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$^\dagger$_{Beachten Sie, dass große Entfernungen auch bedeuten, in die Vergangenheit zu schauen (da das Licht lange gereist ist), wir tatsächlich keine so weit entfernten Galaxien sehen, da sie sich nicht so früh in der Geschichte gebildet haben. Wir sehen jedoch das Gas, aus dem die Galaxien geboren wurden, bis zu 380.000 Jahre nach dem Urknall.}

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

Zum Beispiel gibt es einen "Klecks" aus Wasserstoff , den einige als Anlagerung von Wasserstoff an einem Halo aus dunkler Materie interpretieren. Wenn diese Interpretation richtig ist, dann befindet sich die Galaxie, die schließlich daraus entsteht, außerhalb des beobachtbaren Universums. Aber dabei wird es nicht bleiben. Über Milliarden von Jahren wird der Wasserstoff Sterne gebildet haben, und die Galaxie wird in unserem beobachtbaren Universum sein. Wir sehen nicht das plötzliche Erscheinen einer neuen Galaxie, sondern die Entwicklung über Milliarden von Jahren.

Es gibt einen Effekt einer stärkeren Rotverschiebung. Letztendlich werden Galaxien beginnen, sich schnell genug zurückzuziehen, dass sie unter die Erkennbarkeitsgrenze rotverschoben werden. Es wird vermutet, dass in etwa 2 Billionen Jahren nur noch lokale Galaxien sichtbar sein werden. Dies ist wiederum kein schneller Prozess (!)

Daher beobachten wir keine Galaxien, die über einem kosmischen Horizont verschwinden, und erwarten dies auch nicht.