Если бы мы очень долгое время наблюдали за галактиками с сильным красным смещением вблизи края наблюдаемой Вселенной, как бы они изменились? Появится ли больше?

tl;dr Их красное смещение сначала уменьшится с$\infty$к$\sim60$, затем увеличить до$\infty$снова. И больше со временем появляются.

Ответ на этот вопрос несколько нетривиален и будет зависеть от рассматриваемой вами космологии Вселенной. Но в нашей Вселенной, в которой темная энергия предположительно ускоряет расширение, то, что происходит, можно резюмировать так:

Качественное описание

Со временем свет из все более и более отдаленных областей будет иметь время, чтобы достичь нас, поэтому новая материя все время входит в наш (частичный) горизонт. За бесконечно малый промежуток времени красное смещение$z$этой материи бесконечно, но затем будет уменьшаться со временем, по мере того, как материя продвигается дальше в нашу наблюдаемую Вселенную. Однако в какой-то момент ускоренное расширение ускорит материю, увеличив ее красное смещение.

Количественное описание

Поведение лучше всего понять, используя сопутствующие координаты, то есть координаты, которые расширяются вместе со Вселенной. В этих координатах галактики и другая материя остаются неподвижными (за исключением пекулярной скорости, которая не имеет значения для принципа). Соотношение между реальными физическими расстояниями и сопутствующими расстояниями таково.

Рассмотрим наблюдателя в то время, когда масштабный фактор Вселенной был$a_1$, наблюдая свет, испускаемый ранее, когда масштабный коэффициент был$a_2 < a_1$. Красное смещение$z_{12}$наблюдаемый этим наблюдателем

Численное решение уравнения Фридмана также может определить расстояние до наблюдаемого объекта. Таким образом, вы можете преобразовать красное смещение или соответствующий коэффициент масштабирования в расстояние. Но вы можете сделать и наоборот ; то есть преобразовывать заданное наблюдаемое красное смещение за раз$t_1=t(a_1)$света, излучаемого за время$t_2=t(a_2)$на (сопутствующее) расстояние$d_{12}$.

Я могу добавить полный набор уравнений, если хотите, или вы можете посмотреть этот и этот ответы на физике.SE. На данный момент я только что реализовал их на Python и начертил (надеюсь) поясняющую диаграмму ниже.

Пример

Ниже представлена ​​пространственно-временная диаграмма , показывающая Вселенную во все времена (вдоль$y$оси) и, соответственно, при всех масштабных коэффициентах в зависимости от сопутствующих расстояний (вдоль$x$ось). Данная эпоха — это горизонтальная линия (например, «сейчас»), а данная позиция — также называемая мировой линией — проходит по вертикальной линии (например, «здесь»).

Горизонты на пространственно-временной диаграмме

Все, что мы наблюдаем, лежит с нашей стороны в световом конусе (красный), который со временем сходится к нашему горизонту событий (оранжевый); часть Вселенной, которую мы когда-либо увидим. Наблюдаемая Вселенная — это часть линии «Сейчас» внутри зеленых линий, обозначающих горизонт частиц.

Кривые постоянного красного смещения

Пунктирные голубые линии показывают кривые постоянного красного смещения , рассчитанные, как описано выше. То есть в любое время (заданное горизонтальным срезом по вашему выбору) будет наблюдаться красное смещение (заданное одной из пунктирных линий по вашему выбору) для объектов, лежащих на сопутствующем расстоянии, определяемом пересечением этих двух выбранных линий. .

В качестве примера давайте рассмотрим наблюдаемую галактику с наибольшим красным смещением, GN-z11 , которая в настоящее время наблюдается на$z=11.1$.

Мировая линия GN-z11 показана черной пунктирной линией, а наш взгляд на GN-z11 сегодня отмечен звездой, лежащей на нашем световом конусе прошлого. GN-z11 не находился внутри нашей наблюдаемой Вселенной в то время, когда мы видим его сегодня; он только вошел в наш космический горизонт (зеленая линия), когда Вселенная только что закончилась.$t = 4\,\mathrm{Gyr}$старый. Со временем его красное смещение уменьшилось с$\infty$, к$100$в$t\sim6\,\mathrm{Gyr}$, к$30$в$t\sim8\,\mathrm{Gyr}$, к$11.1$сегодня.

В будущем красное смещение GN-z11 продолжит уменьшаться примерно до$t\sim20\,\mathrm{Gyr}$, и в это время мы увидим, что он имеет$z\sim9$. После этого она будет увеличиваться без ограничений.

Пример #2

Теперь вы спрашиваете конкретно о «крайне смещенных в красную сторону галактиках», т.е. галактиках, появляющихся сейчас (которые мы видели бы «при Большом Взрыве» и, следовательно, еще не как галактику). Сопутствующее расстояние до такой (прото)галактики — назовем его "$\textsf{uhoh}$" — будет (почти) равно расстоянию до горизонта частицы. Его мировая линия отмечена на пространственно-временной диаграмме, и, как указано, мы увидим, что его красное смещение уменьшается от$\infty$к$z\simeq60$, и обратно в$\infty$.

Когда мы наблюдаем$z_\mathsf{uhoh}\simeq60$, возраст Вселенной только что закончился$t=30\,\mathrm{Gyr}$, но мы увидим$\textsf{uhoh}$как это было, когда Вселенная была$t\simeq\mathrm{200}\,\mathrm{Myr}$что, по совпадению, произошло примерно в то же время, когда сформировались первые галактики.

Это можно увидеть, заметив, что мировая линия$\textsf{uhoh}$просто пасет$z_\mathrm{obs}=60$линия в$t\sim30\,\mathrm{Gyr}$, затем вслед за$45\circ$линия от точки$\{t,d\}=\{30,0\}$(наш световой конус прошлого в будущем) назад к$\textsf{uhoh}$мировую линию, видя, что эти линии пересекаются в$t\simeq200\,\mathrm{Gyr}$.

В далеком будущем, как$z_\mathsf{uhoh}\rightarrow\infty$, посмотрим$\textsf{uhoh}$приближаться к возрасту$t\simeq500\,\mathrm{Myr}$, потому что здесь$\textsf{uhoh}$пересекает наш горизонт событий.