Если объект, находящийся на расстоянии 1 миллиарда световых лет, излучает свет, то потребуется ли больше 1 миллиарда лет, чтобы добраться до нас из-за расширения Вселенной?

Да, за то время, которое требуется свету — или, в данном случае, гравитационным волнам (ГВ) от события слияния черных дыр GW190521 — для прохождения от источника к наблюдателю, Вселенная расширяется, тем самым увеличивая расстояние.

Различные термины расстояния

В следующих, "$\mathrm{Glyr}$" означает расстояние в миллиард световых лет, а "$\mathrm{Gyr}$" означает время в миллиард лет.

Думаю, есть небольшая путаница в указанном расстоянии от$17\,\mathrm{Glyr}$( Abbott et al. 2020 ): Это так называемое расстояние светимости , то есть расстояние, удовлетворяющее обычному закону обратных квадратов . Это не то расстояние, которое вы измерили бы, если бы остановили время и расставили измерительные палочки. Это физическое расстояние меньше, только$9.5\,\mathrm{Glyr}$.

Эти значения соответствуют красному смещению$z=0.82$. То есть, если бы GW190521 был светящимся, его свет был бы сдвинут в красную сторону в множитель$(1+z)=1.82$. Фактически, в этом случае сообщалось об электромагнитном аналоге, хотя и не с измеренным красным смещением ( Graham et al. 2020 ) .

Время, которое потребовалось GW, чтобы добраться до нас, называется временем ретроспективного анализа ; это цитата$7\,\mathrm{Gyr}$. Когда GW190521 излучал ГВ, которые мы обнаруживаем сегодня, он был ближе к нам в несколько раз.$(1+z)$. То есть его физическое расстояние составляло всего$5\,\mathrm{Glyr}$.

Для плоской Вселенной (которой с высокой точностью является наша Вселенная) это равно так называемому угловому диаметру расстояния , названному так потому, что это расстояние, удовлетворяющее обычному соотношению между расстоянием$d$, размер$D$, и угол$\theta$, а именно$\theta = D/d$.

Связь между временем ретроспективного анализа и расстоянием

В обыденной жизни все эти меры расстояний одинаковы, и во Вселенной для малых расстояний они тоже совпадают. Но из-за расширения Вселенной и из-за того, что компоненты Вселенной (материя, излучение и темная энергия) влияют на ее геометрию, по мере увеличения расстояния до объекта они становятся все более и более разными.

Вы можете найти уравнения здесь или использовать космологический калькулятор, такой как у Неда Райта (как прокомментировал Alchemista). astropyКроме того, вы можете вычислить их в Python, используя такой модуль :

>>> from astropy.cosmology import Planck15
>>> from astropy import units as u
>>> from astropy.cosmology import z_at_value

>>> dL = 5.3 * u.Gpc                                 # Lum. dist. in giga-parsec quoted in Abbott+ 20
>>> z  = z_at_value(Planck15.luminosity_distance,dL) # Corresponding redshift
>>> print(z)
0.8174368585313242
>>> print(Planck15.lookback_time(z))
<Quantity 7.11401487 Gyr>
>>> print(dL.to(u.Glyr))                             # Convert parsec to lightyears
<Quantity 17.28628801 Glyr>
>>> print(Planck15.comoving_distance(z).to(u.Glyr))  # Comoving dist. is equal to phys. dist. today
<Quantity 9.53452323 Glyr>

Я использовал это, чтобы построить текущее расстояние до GW190521 и других объектов в зависимости от времени ретроспективного анализа:

Ответ на ваш вопрос в заголовке

Чтобы ответить на вопрос в вашем заголовке, нам нужно точно определить, что мы имеем в виду:

• Свет от объекта, который находится на физическом расстоянии$1\,\mathrm{Glyr}$ теперь смещается в красную сторону$z = 0.070$, его свет путешествовал$0.97\,\mathrm{Gyr}$, и это было$0.93\,\mathrm{Glyr}$от нас, когда он излучал свет, который мы видим сегодня.
• Свет от объекта, который был$1\,\mathrm{Glyr}$прочь, когда он был испущен, путешествовал$1.03\,\mathrm{Gyr}$прежде чем достичь нас с красным смещением$z = 0.076$, и объект теперь$1.076\,\mathrm{Glyr}$прочь.

Как видите, разница не очень большая, но по мере перехода к более высоким красным смещениям она увеличивается. Самая удаленная из наблюдаемых галактик GN-z11 имеет красное смещение$z=11.09$. Это было только$2.7\,\mathrm{Glyr}$от нас, когда он излучал свет, который мы видим сегодня, но в$13.4\,\mathrm{Gyr}$нам понадобился свет (большую часть возраста Вселенной), GN-z11 переместился на текущее расстояние$32.2\,\mathrm{Glyr}$!