Werden wir anfangen zu sehen, wie Galaxien aufgrund der Expansion des Universums verschwinden? [Duplikat]

Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass Galaxien, die sich schneller als das Licht zurückziehen, nicht beobachtet werden können. Es gibt zwei Versionen dieses Missverständnisses:

1. Galaxien, die sich jetzt schneller als das Licht zurückziehen, können nicht gesehen werden.
2. Wenn wir heute eine Galaxie beobachten , mag sie jetzt schneller als das Licht zurückweichen , aber als sie das Licht ausstrahlte, das wir jetzt sehen, tat sie es nicht.

Beides ist falsch.

Dies ist am einfachsten in einem Raumzeitdiagramm zu sehen. Aber bevor wir das zeigen, ist eine etwas intuitive Art, dieses scheinbare Paradoxon zu verstehen, die Reise des Photons aus dem Referenzsystem der emittierenden Galaxie zu betrachten: In diesem System verlässt das Photon den Emitter mit einer Geschwindigkeit$v=c$(wie es sollte), aber da seine Geschwindigkeit immer ist$v$ lokal , dann im Rahmen des Emitters, nimmt seine Geschwindigkeit grenzenlos zu. Dies ist kein Beweis, kann aber helfen zu zeigen, dass "Licht schneller als die Lichtgeschwindigkeit reisen kann".

Nun zum Raumzeitdiagramm. Meine Lieblingsversion stammt aus dem klassischen Artikel von Davis & Lineweaver (2004) , aber diese Version aus Pulsars ausgezeichnetem (!) Beitrag gefällt mir tatsächlich besser :

Ein solches Diagramm zeigt das Alter (oder äquivalent die Größe) des Universums als Funktion der entsprechenden Mitbewegungsentfernung$^1$von Veranstaltungen. In diesem Diagramm passiert eine Menge Dinge, und ich werde auf Pulsars Antwort verweisen, um eine interessante Diskussion darüber zu erhalten. Betrachten Sie für unsere Zwecke das einzige, was ich der Abbildung hinzugefügt habe: die Weltlinie – dh der „Weg“ eines Objekts durch die Raumzeit – der Galaxie GN-z11 , gesehen als vertikale gestrichelte Linie in einer sich bewegenden Entfernung$d_C \simeq 32.2\,\mathrm{Gly}$. Es ist vertikal, weil es sich nicht in sich bewegenden Koordinaten bewegt. Wir beobachten es bei einer Rotverschiebung von$z=11.09$, was bedeutet, dass das Licht, das wir sehen (sich um 45º in Richtung unserer Weltlinie bewegt, die bei$d_C=0$) wurde emittiert, als das Universum etwa 400 Myr alt war. Zu dieser Zeit entfernte sich GN-z11 mit einer Geschwindigkeit$v\simeq4c$!

Die innerste grüne Blase (beschriftet mit „$v_\mathrm{rec}=c$") ist die Hubble-Sphäre , die so definiert ist, dass sich zu jedem Zeitpunkt alles außerhalb schneller zurückzieht als$c$. Währenddessen zeigt die rote Linie den Ereignishorizont , der die Grenze zwischen allem definiert, was eventuell beobachtet werden kann (hellroter Bereich), und allem, was nicht möglich ist. Eine Teilmenge davon liegt außerhalb des Lichtkegels (orangefarbene Region), was wir bereits beobachtet haben (oder zumindest die Gelegenheit dazu hatten).

Alles, was zwischen der Hubble-Sphäre und dem Ereignishorizont liegt, besteht aus Ereignissen, die wir sehen konnten oder werden, die sich jedoch schneller als die Lichtgeschwindigkeit zurückziehen, wenn es das Licht aussendet, das wir sehen.

Wie Sie sehen können, wird der Bereich mit der Zeit enger$^2$, was bedeutet, dass die beschleunigte Expansion des Universums es für weit entfernt emittierte Photonen immer schwieriger macht, uns zu erreichen. Wir werden niemals Galaxien sehen können, die heute weiter als etwa 17 Gly entfernt sind. Aber Galaxien, die näher sind, werden gesehen (wenn wir hinsehen), und eine Teilmenge davon – nämlich diejenigen mit$14\,\mathrm{Gly} \lesssim d_C \lesssim 17\,\mathrm{Gly}$– entfernen sich derzeit schneller als mit Lichtgeschwindigkeit.

Das beobachtbare Universum ist definiert als die Region, in der das Licht Zeit hatte, uns zu erreichen. Der „Rand“ davon wird Teilchenhorizont genannt und nimmt, von der blauen Linie aus gesehen, immer mehr Abstand von uns (in mitbewegten Koordinaten und damit erst recht in physikalischen Koordinaten). Bei gleichlaufenden Koordinaten erreicht es eine maximale Größe von etwa 63 Gly. Das bedeutet, dass immer mehr Galaxien in unser beobachtbares Universum eintreten werden, aber im Laufe der Zeit werden sie dies in einem immer geringeren Tempo tun und asymptotisch einen endlichen Wert erreichen (von ungefähr 5 Billionen Galaxien). Sobald sich eine Galaxie innerhalb des Teilchenhorizonts befindet, wird sie ihn niemals verlassen. Er wird jedoch seinen Abstand zu uns in physikalischen Koordinaten sowie seine Geschwindigkeit immer weiter vergrößern und damit grenzenlos rotverschoben und schwarz werden.

$^1$_{Mitbewegte Koordinaten sind so definiert, dass sie sich „mit der Ausdehnung des Universums ausdehnen“. Das heißt, in diesen Koordinaten liegen Galaxien ungefähr still bzgl. gegenseitig. Um die physikalischen Koordinaten zu erhalten – dh was Sie messen würden, wenn Sie das Universum einfrieren und Messstäbe auslegen würden – multiplizieren Sie die mitbewegten Koordinaten mit dem Skalierungsfaktor$a$rechts gesehen$y$Achse. Seit heute$a\equiv1$, Mitbewegung und physikalische Koordinaten stimmen heute überein.}

$^2$_{Die Tatsache, dass das Diagramm in sich bewegenden Koordinaten vorliegt, macht es etwas schwer zu erkennen, aber dies ist immer noch der Fall in physikalischen Koordinaten.}