Начнем ли мы наблюдать, как галактики исчезают из-за расширения Вселенной? [дубликат]

Это распространенное заблуждение, что галактики, удаляющиеся быстрее скорости света, невозможно наблюдать. Есть две версии этого заблуждения:

1. Галактики, которые сейчас удаляются быстрее скорости света, невозможно увидеть.
2. Если мы наблюдаем галактику сегодня , она может удаляться быстрее скорости света , но когда она излучала свет, который мы видим сейчас , этого не происходило.

Оба неверны.

Это легче всего увидеть на диаграмме пространства-времени. Но прежде чем показать это, несколько интуитивный способ понять этот кажущийся парадокс состоит в том, чтобы рассмотреть путешествие фотона из системы отсчета излучающей галактики: в этой системе фотон покидает излучатель со скоростью$v=c$(как и должно быть), но так как его скорость всегда$v$ локально , ​​то в системе излучателя его скорость неограниченно возрастает. Это не доказательство, но может помочь показать, что «свет может двигаться быстрее, чем скорость света».

Теперь к диаграмме пространства-времени. Моя любимая версия взята из классической статьи Davis & Lineweaver (2004) , но на самом деле мне больше нравится эта версия из отличного (!) поста Pulsar :

Такая диаграмма показывает возраст (или, что то же самое, размер) Вселенной в зависимости от соответствующего сопутствующего расстояния.$^1$событий. На этой диаграмме происходит много вещей, и я обращусь к ответу Pulsar для интересного обсуждения всего этого. Для наших целей рассмотрим единственное, что я добавил к рисунку: мировую линию — т. е. «путь» через пространство-время некоторого объекта — галактики GN-z11 , рассматриваемую как вертикальная пунктирная линия на сопутствующем расстоянии$d_C \simeq 32.2\,\mathrm{Gly}$. Он вертикальный, потому что не движется в сопутствующих координатах. Мы наблюдаем его при красном смещении$z=11.09$, что означает, что свет, который мы видим (движущийся под углом 45º к нашей мировой линии, которая находится на$d_C=0$) был испущен, когда Вселенной было примерно 400 млн лет. В то время GN-z11 удалялся со скоростью$v\simeq4c$!

Самый внутренний зеленый пузырь (обозначен "$v_\mathrm{rec}=c$") — это сфера Хаббла , определенная таким образом, что в любой момент времени все, что находится снаружи, удаляется быстрее, чем$c$. Между тем, красная линия показывает горизонт событий , определяющий границу между всем, что в итоге можно наблюдать (светло-красная область), и всем, что нельзя. Подмножество этого находится за световым конусом (оранжевая область), что мы уже наблюдали (или, по крайней мере, имели возможность).

Все, что находится между сферой Хаббла и горизонтом событий, состоит из событий, которые мы смогли или в конечном итоге сможем увидеть, но которые удаляются быстрее, чем скорость света, когда он излучает свет, который мы видим.

Как видите, область со временем сужается.$^2$, а это означает, что ускоренное расширение Вселенной делает все более и более трудным для фотонов, излучаемых далеко, достигать нас. Мы никогда не сможем увидеть галактики, которые сегодня находятся дальше, чем примерно 17 Гли. Но галактики, которые находятся ближе , будут видны (если мы посмотрим), и их подмножество, а именно те, у которых$14\,\mathrm{Gly} \lesssim d_C \lesssim 17\,\mathrm{Gly}$— в настоящее время разбегаются быстрее скорости света.

Наблюдаемая Вселенная определяется как область, в пределах которой свет успел достичь нас. Его «край» называется горизонтом частиц , и, как видно из синей линии, он всегда увеличивает свое расстояние от нас (в сопутствующих координатах, а тем более в физических координатах). В сопутствующих коодинатах он достигает максимального размера примерно 63 Гли. Это означает, что все больше и больше галактик будут входить в нашу наблюдаемую Вселенную, но со временем они будут делать это с постоянно убывающей скоростью, асимптотически достигая конечного значения (более или менее 5 триллионов галактик). Оказавшись внутри горизонта частиц, галактика уже никогда не покинет его. Однако он будет продолжать увеличивать свое расстояние от нас в физических координатах, а также свою скорость, и, таким образом, безгранично смещаться в красную сторону и исчезать до черного цвета.

$^1$_{Сопутствующие координаты определены так, что они «расширяются с расширением Вселенной». Это означает, что в этих координатах галактики лежат примерно неподвижно относительно. друг с другом. Чтобы получить физические координаты — то есть то, что вы измерили бы, если бы заморозили Вселенную и разложили измерительные стержни, — умножьте сопутствующие координаты на масштабный коэффициент.$a$видно справа$y$ось. С сегодняшнего дня$a\equiv1$, сопутствующие и физические координаты сегодня совпадают.}

$^2$_{Тот факт, что диаграмма находится в сопутствующих координатах, немного затрудняет ее просмотр, но это все еще имеет место в физических координатах.}