Существуют ли галактики, выпавшие за горизонт видимости из-за космического расширения?

Нет. На самом деле все наоборот.

(См. последний абзац для интуитивного объяснения.)

Распространено заблуждение, что галактики, удаляющиеся быстрее скорости света, не видны нам. Это не тот случай; мы легко видим галактики, движущиеся со сверхсветовыми скоростями. Это не противоречит, как, я думаю, большинству людей, теории относительности, утверждающей, что ничто не может двигаться в пространстве быстрее, чем$c$. Галактики не перемещаются в пространстве (кроме как с небольшими скоростями 100—1000 км/с ); скорее само пространство расширяется, вызывая увеличение расстояний между галактиками.

Мы видим «сверхсветовые» галактики

Скорость рецессии$v_\mathrm{rec}$галактики определяется законом Хаббла:

$$v_\mathrm{rec} = H_0 \, d,$$ куда $H_0 \simeq 67.8\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}\,\mathrm{Mpc}^{-1}$— постоянная Хаббла ( Planck Collaboration et al. 2016 ). Этот закон подразумевает, что галактики дальше, чем $$r_\mathrm{HS} \equiv \frac{c}{H_0} \simeq 4400\,\mathrm{Mpc} \simeq 14.4 \, \mathrm{Gly}\,\,\mathrm{("\!\!Giga\mbox{-}lightyears\!\!")}$$ отступать быстрее, чем $c$. Здесь индекс «HS» выбран потому, что область, в которой галактики удаляются медленнее, чем $c$называется «сферой Хаббла». Объекты на расстоянии $r_\mathrm{HS}$иметь красное смещение $z\simeq1.6$.

Рассмотрим фотон, испущенный из далекой галактики (скажем, GN-z11 с красным смещением$z=11.1$) в прошлом, в направлении Млечного Пути (МВ). Специальная теория относительности говорит нам, что локально фотон всегда путешествует в пространстве со скоростью$v=c$. Таким образом, вначале фотон удаляется от GN-z11 со скоростью$c$. Однако, несмотря на то, что фотон движется к нам, его расстояние до МВ увеличивается из-за расширения Вселенной. По мере того, как фотон увеличивает свое расстояние до GN-z11, то же самое расширение заставляет его удаляться от GN-z11 с постоянно увеличивающейся скоростью. Более того, по мере продвижения к MW он будет медленно «преодолевать» расширение, пока не достигнет точки, где$v_\mathrm{rec} = c$. За бесконечно малый период он будет стоять относительно. МВт, после чего он начнет двигаться все быстрее и быстрее, если отсчитывать от МВт. В конце концов, его скорость — все еще в системе отсчета MW — достигнет$c$, в этот момент она достигнет МВт.

Таким образом, хотя GN-z11 и MW удаляются друг от друга на$v_\mathrm{rec} = 2.2c$, мы все еще можем видеть это. Что, возможно, еще более нелогично, так это то, что когда GN-z11 излучал свет, который мы видим сегодня, он удалялся еще быстрее, на$v_\mathrm{rec} \sim 4c$.

Мы видим все более и более далекие галактики

Однако существует предел того, насколько быстро видимая нам галактика может удаляться, определяемый расстоянием$r_\mathrm{PH}$у этого света было время путешествовать с тех пор, как была создана Вселенная. Свет падает на нас со всех сторон, поэтому мы находимся в центре сферы радиусом$r_\mathrm{PH}$. Эта сфера называется «наблюдаемой Вселенной», а ее поверхность (которая не является физической вещью) называется горизонтом частиц (отсюда индекс «PH»). Галактики на горизонте частиц удаляются на$v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$.

Со временем свет от все более далеких галактик$^\dagger$дойдет до нас; это$r_\mathrm{PH}$увеличивается. Другими словами, наблюдаемая Вселенная всегда увеличивается в размерах, и ни одна видимая сегодня галактика никогда не покинет наблюдаемую Вселенную, независимо от ее скорости .

Однако, поскольку будущие наблюдаемые галактики будут все больше и больше смещаться в красную сторону, их свет в конечном итоге будет смещаться из видимого диапазона в более длинные и длинные радиоволны. Кроме того, время между обнаружением каждого фотона будет увеличиваться, поэтому они будут становиться все тусклее и тусклее, и, таким образом, на практике они исчезнут .

Интуитивное объяснение

Хорошей аналогией для лучшего понимания того, почему свет может достичь нас из галактики, которая удаляется быстрее света, является «червь на резиновой ленте»: прикрепите (бесконечно растягиваемую) резиновую ленту (длиной, скажем, 10 см) к стене. и уходите с любой постоянной скоростью, которую вы выберете, например, 1 м/с. Перед тем, как начать, поместите своего ручного червяка в конец возле стены. Он хочет вернуться к вам и начинает ползти со скоростью 1 см/с, то есть в 100 раз медленнее вас. Дойдет ли оно до вас? Если смотреть на него с точки зрения стены, то и вы, и червяк удаляетесь, но в то время как вы удаляетесь с постоянной скоростью, червяк, хотя и медленнее в начале, ускоряется, потому что движется по резинке, но часть резинки между червяком и стенкой увеличивается в размерах. Остальная часть резинки, конечно, тоже увеличивается в размерах, но это недоберется до вас (хотя в этом примере червь возьмет$10^{26}$миллиардов лет, и в этот момент он, возможно, потерял терпение. Но если вы идете со скоростью всего 10 см/с, это займет всего 6 часов).

В этой аналогии вы — MW, стена — GN-z11, а червь — фотон. Теперь, если вы не идете с постоянной скоростью, а еще и ускоряетесь (это аналогия эффекта темной энергии), червяк может до вас долететь, а может и нет, в зависимости от ваших скоростей. Точно так же существует предел тому, насколько далекие галактики мы когда-либо сможем увидеть.

---

$^\dagger$_{Обратите внимание, что поскольку большие расстояния также означают оглядывание назад во времени (поскольку свет путешествовал долгое время), мы на самом деле не видим галактики так далеко, поскольку они не сформировались так рано в истории. Однако мы видим газ, из которого родились галактики, спустя 380 000 лет после Большого взрыва.}

Со временем появятся галактики, которые в настоящее время не находятся в наблюдаемой Вселенной, но станут наблюдаемыми. Но это не внезапное подмигивание. Вместо этого через сотни миллионов лет мы увидим, как протогалактика эволюционирует в зрелую галактику.

Например, существует «сгусток» водорода , который некоторые интерпретируют как аккрецию водорода на гало темной материи. Если эта интерпретация верна, то галактика, которая в конечном итоге образуется из нее, находится за пределами наблюдаемой Вселенной. Но так не останется. За миллиарды лет из водорода сформируются звезды, и галактика окажется в нашей наблюдаемой Вселенной. Мы не видим внезапного появления новой галактики, мы видим эволюцию в течение миллиардов лет.

Возникает эффект большего красного смещения. В конечном итоге галактики начнут отступать достаточно быстро, чтобы их красное смещение стало ниже уровня обнаружения. Предполагается, что примерно через 2 триллиона лет будут видны только местные галактики. Это опять не быстрый процесс(!)

Таким образом, мы не наблюдаем исчезновения галактик за космическим горизонтом и не ожидаем этого.