Wie ziehen sich Galaxien schneller zurück als das Licht für Beobachter sichtbar ist?

Wir wissen, dass sich einige Galaxien schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen, und wir wissen es, indem wir die Rotverschiebung messen, aber wie ist das möglich?

Die folgenden Papiere geben gute Erklärungen:

http://users.etown.edu/s/stuckeym/AJP1992a.pdf

http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0011070v2.pdf

Zusammenfassend Hubble-Gesetz:$v = H(t)D$, wo$v$ist die Rezessionsgeschwindigkeit,$D$ist Entfernung, und$H(t)$Ist das Hubble zu einem bestimmten Zeitpunkt „konstant“, erfordert dies, dass ab einer bestimmten Entfernung die Geschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Wenn die Rückzugsgeschwindigkeit am Ort eines reisenden Photons während der gesamten Zeit, in der sich das Photon aus einer entfernten Galaxie bewegt, größer als die Lichtgeschwindigkeit wäre, würden wir das Photon niemals beobachten. Ein Photon, das von einer Galaxie emittiert wird, die sich schneller als das Licht von uns entfernt, entfernt sich zunächst auch von uns. Das Photon kann jedoch schließlich in eine Region der Raumzeit gelangen, in der es zu einer Rezession von uns kommt$<c$. In diesem Fall kann uns das Photon erreichen. Die genaue Beziehung zwischen Rotverschiebung und Geschwindigkeit hängt vom kosmologischen Modell ab, aber gemäß den obigen Referenzen waren und sind Galaxien mit Rotverschiebungen von mehr als ~3 schneller als das Licht von uns entfernt.

Wenn sie sich um 2c wegbewegen, wie würde das Licht der Galaxie aussehen? erreichen Sie uns überhaupt?

Nur wenn die Photonen aus der Galaxie eine Region der Raumzeit erreichen, in der die Rückzugsgeschwindigkeit ist$<c$.

Wie messen wir "Rotverschiebung" für etwas, das schneller als Licht ist?

Die Rotverschiebung wird als Änderung der Wellenlänge des Lichts gemessen, aber anstatt die Ergebnisse unter Verwendung der speziellen Relativitätstheorie zu interpretieren (was dazu führen würde$v<c$für alle Rotverschiebungen) werden die Ergebnisse im Kontext eines kosmologischen Modells und der allgemeinen Relativitätstheorie interpretiert.

Licht von jenseits der Hubble-Sphäre (der Ort, an dem die Rezessionsgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist) erreicht uns täglich.

Ich bin nicht gut genug Physiker, um eine nette Laienerklärung für diese Tatsache zu finden, aber es könnte helfen, in Koordinaten zu denken: Dies ist ein spezielles Koordinatensystem, bei dem sich das Koordinatengitter mit dem Raum ausdehnt, dh trotz des richtigen Abstands zwischen den Galaxien wird zunehmen, ihre Koordinaten werden sich nicht ändern.

In diesem Koordinatensystem wird das Licht nicht an der Hubble-Kugel eingefroren (wie man möglicherweise erwarten könnte), sondern bewegt sich stetig vom Emitter zum eventuellen Beobachter, unabhängig von einer Änderung des richtigen Abstands.

Die stetige Bewegung auf uns zu sollte eigentlich auch für Licht gelten, das von jenseits des kosmischen Ereignishorizonts (das Ding, das das Beobachtungsuniversum tatsächlich begrenzt) ausgestrahlt wird - es dauert nur länger als unendlich, bis das Licht uns erreicht ;)

Zum zweiten Teil Ihrer Frage zur Rotverschiebung: Das hängt nicht von Rezessionsgeschwindigkeiten ab, sondern von Relativgeschwindigkeiten, die durch parallelen Transport entlang des Lichtpfads berechnet werden (und darunter bleiben sollten$c$bis Sie den Ereignishorizont erreichen).

Ich bin kein Spezialist für Schwerkraft oder Kosmologie. Ich weiß jedoch (ohne Details), dass A. Peres bewiesen hat, dass die Lichtgeschwindigkeit in der gesamten Geschichte des Universums nicht gleich war. Die Referenz ist

Int. J.Mod. Phys. D, 12, 1751 (2003). DOI: 10.1142/S0218271803004043

International Journal of Modern Physics D (Gravitation; Astrophysik und Kosmologie)

Band 12, Ausgabe 09, Oktober 2003

VARIABILITÄT DER FUNDAMENTALKONSTANTEN

ASHER PERES, Dieser Aufsatz erhielt 2003 eine „lobende Erwähnung“ beim Aufsatzwettbewerb der Gravity Research Foundation.

Sie verschwinden einfach nicht schneller als das Licht.

Rezessionsgeschwindigkeiten werden wie Schnelligkeit in der speziellen Relativitätstheorie definiert. Wenn sich A, B, ..., Z alle in einer Linie voneinander entfernen und A und C sich mit einer Geschwindigkeit von B entfernen$v$das ist klein genug, dass die Newtonsche Relativgeschwindigkeit eine vernünftige Annäherung ist, und B und D entfernen sich von C mit der gleichen Geschwindigkeit, und so weiter, dann ist die relative Schnelligkeit von A und Z$25v$per Definition. Wenn$v=0.05c$dann ist die relative Schnelligkeit$1.25c$, während$dx/dt$Relativgeschwindigkeit ist$0.85c$. Nichts geht schneller als das Licht. Die Geschwindigkeit$c$hat keine besondere Bedeutung, wenn es um Schnelligkeiten geht.

All dies gilt auch für kosmologische Rezessionsgeschwindigkeiten. Es macht keinen Sinn, sie mit der Lichtgeschwindigkeit zu vergleichen, weil sie so definiert sind, dass es keinen Wert gibt, der die Lichtgeschwindigkeit repräsentiert – schon gar nicht$c$.

Ich denke, die Leute tappen in die Falle zu denken, dass man, wenn man genug Galaxien in einer Linie hat, die sich alle voneinander entfernen, irgendwann an einen Punkt kommen muss , an dem sie sich wirklich wirklich schneller als das Licht bewegen, aber das ist einfach nicht wahr . Auch in der speziellen Relativitätstheorie ist es nicht wahr. Sie können ohne Probleme weitere tausend Galaxien an das Ende der Linie von 26 anfügen, alle im gleichen Abstand zu jeder Zeit, gemessen durch sich bewegende Meterstäbe und Uhren, die synchronisiert wurden, als sich die Galaxien am selben Punkt befanden. Es gibt eine unbegrenzte Menge an Raum "knapp knapp$c$". Man könnte sagen, dass es wegen der Längenkontraktion unbegrenzten Raum gibt, aber beachten Sie, dass dies eine völlig symmetrische Situation ist: Sie können jede Galaxie mit einem Lorentz-Boost in die Mitte bringen.

In der realen Kosmologie kann man sich entfernte Galaxien tatsächlich als längenkontrahiert vorstellen, wenn man möchte, zumindest wenn die räumliche Krümmung nicht positiv ist. Sie können jedes FLRW-Universum mit negativer Krümmung auf eine Weise konform in den Minkowski-Raum einbetten, die dem speziell-relativistischen Spielzeugmodell ähnelt. In den Quasi-Minkowski-Koordinaten bewegt sich Licht bei$|dx/dt|=c$, haben alle Galaxien$|dx/dt|<c$, und diejenigen mit Geschwindigkeiten in der Nähe von$c$sind Lorentz unter Vertrag.

In der ΛCDM-Kosmologie haben Sie einen kosmologischen Horizont und Sie werden nie wieder ein Signal von einer Galaxie empfangen, nachdem sie den Horizont überquert hat. Dies bedeutet immer noch nicht, dass es sich im physikalisch sinnvollen Sinne schneller als das Licht zurückzieht. Bei konformen Einbettungen entsteht der Horizont, weil das Universum zu einer endlichen konformen Zeit endet (was es zu einer Zeitumkehr des Big-Bang- Horizont-Problems macht ). Ich behaupte nicht, dass dies die wahre und korrekte Erklärung des Horizonts ist, aber es ist eine korrekte Erklärung. Es ist definitiv nicht der Fall, dass eine Galaxie jemals einem Lichtstrahl davonläuft, daher ist jede Erklärung in dieser Richtung nicht korrekt.

Die akzeptierte Antwort bietet diese Erklärung für die Fähigkeit des Lichts, der Expansion zu entkommen:

Ein Photon, das von einer Galaxie emittiert wird, die sich schneller als das Licht von uns entfernt, entfernt sich zunächst auch von uns. Das Photon kann jedoch schließlich in eine Region der Raumzeit gelangen, in der es zu einer Rezession von uns kommt$<c$. In diesem Fall kann uns das Photon erreichen.

Dies ist eine korrekte Erklärung. Es ist auch eine korrekte Erklärung des speziellen relativistischen Falls, wenn Sie die Gesamtentfernung messen, wie sie in der Kosmologie gemessen wird, als die Summe der Entfernungen, die von lokalen mitbewegten Meterstäben zu Zeiten gemessen werden, die gemäß lokalen mitbewegten Uhren gleichzeitig sind. Das auf diese Weise effektiv definierte Koordinatensystem ähnelt den Rindler-Koordinaten mit umgekehrtem Raum und Zeit. In Rindler-Koordinaten gibt es eine gravitative Rotverschiebung, obwohl die Raumzeit Minkowski ist. In diesen quasi-kosmologischen Koordinaten gibt es einen „ausdehnenden Raum“ und eine kosmologische Rotverschiebung, obwohl die Raumzeit Minkowski ist.

Es ist keine falsche Erklärung, aber ich finde es nicht sehr erhellend.

Ich weiß nicht, ob die folgende Antwort jede einzelne Beobachtung erklären kann, aber hier geht es:

Die Ausdehnung oder Entfernung von Galaxien hängt von der Entfernung zwischen ihnen ab. Wenn sich etwas mit einer bestimmten Geschwindigkeit entfernt, muss es sich zuvor langsamer entfernt haben, da es nahe gewesen sein muss.

Bei astronomischen Beobachtungen sehen wir immer in der Zeit zurück. 8 Minuten zurück, um den Mond zu sehen, und Millionen von Jahren, um ferne Sterne zu sehen. Das Licht solcher Sterne, die den Stern verlassen würden, wenn die Beobachtung gemacht wird, wird uns erreichen, wenn der Stern bereits stirbt. Es ist interessant, dass der Stern viel früher einen Ort erreicht hat, von dem er sich mit größerer Geschwindigkeit entfernt von Licht, und daher kann es nicht mehr beobachtet werden.

Astronomen berechnen nach Beobachtungen den gegenwärtigen Zustand der Zellkörper und veröffentlichen dann alle Ergebnisse. Wenn sie also sagen, dass etwas eine Million Lichtjahre entfernt ist und sich um 2c entfernt, dann ist das seine gegenwärtige Position und Geschwindigkeit, es wurde beobachtet aufgrund des Lichts, das es vor langer Zeit ausstrahlte, und verschiedene Beobachtungen und Berechnungen erlauben uns, seinen gegenwärtigen Zustand vorherzusagen.