Y a-t-il des galaxies qui sont tombées hors de l'horizon de vue en raison de l'expansion cosmique?

Si les galaxies les plus éloignées nous fuient avec une accélération les faisant dépasser la vitesse de la lumière, nous devrions nous attendre à ce qu'elles disparaissent du ciel avec le temps avec une quantité croissante. Avons-nous observé cela? Peut-on indiquer les prochaines galaxies à éliminer et leur temps de déclin?

Ma question concerne les galaxies se déplaçant avec toutes les gammes de vitesse, pas seulement celles supérieures à la vitesse de la lumière.

— Waldemar Gałęzinowski
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Cette vidéo YouTube montre pourquoi les galaxies deviennent visibles même si elles sont très éloignées. youtube.com/watch?v=gzLM6ltw3l0 (Avance rapide jusqu'à 6 minutes et 50 secondes et regardez jusqu'à environ 8 minutes et 50 secondes.) Et si vous continuez à regarder au-delà de 9 minutes, cela dira à quelle distance une galaxie doit être pour ne jamais être vu par nous parce que l'univers se développera plus vite que la lumière.

— RichS

@pela C'est une question de définition bien sûr, mais je ne suis pas d'accord ici. Comme mentionné dans mon commentaire ci-dessous, les galaxies quittent notre horizon d'événements tout le temps. Dans un sens, qui est quitte l'univers observable.

— Thriveth

@Thriveth: Voir le commentaire sous votre autre commentaire.

— pela

Non. En fait, c'est le contraire.

(Voir le dernier paragraphe pour une explication intuitive.)

Il est faux de croire que les galaxies qui reculent plus vite que la vitesse de la lumière ne nous sont pas visibles. Ce n'est pas le cas; nous voyons facilement les galaxies se déplacer à des vitesses supraluminiques. Cela ne contredit pas - comme je pense la plupart des gens - la théorie de la relativité, qui dit que rien ne peut voyager dans l' espace plus rapidement que . Les galaxies ne voyagent pas dans l' espace (sauf avec de petites vitesses de 100-1000 km / s ); au contraire, l'espace lui-même est en expansion, entraînant une augmentation des distances entre les galaxies. $c$

On voit des galaxies "super-luminales"

La vitesse de récession d'une galaxie est donnée par la loi de Hubble: où est la constante de Hubble ( Planck Collaboration et al. 2016 ). Cette loi implique que les galaxies sont plus éloignées que Reculent plus rapidement que . Ici, l'indice "HS" est choisi parce que le ragion dans lequel les galaxies reculent plus lentement que est appelé "sphère Hubble". Les objets à une distance de ont un redshift de $v_\mathrm{rec}$

v_{r e c} = H_{0} d,

$v_\mathrm{rec} = H_0 \, d,$

H_{0} ≃ 67.8 k m s^{- 1} {M p c}^{- 1}

$H_0 \simeq 67.8\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}\,\mathrm{Mpc}^{-1}$

r_{H S} \equiv \frac{c}{H_{0}} ≃ 4400 M p c ≃ 14.4 G l y (" G i g a - l i g h t y e a r s ")

$r_\mathrm{HS} \equiv \frac{c}{H_0} \simeq 4400\,\mathrm{Mpc} \simeq 14.4 \, \mathrm{Gly}\,\,\mathrm{("\!\!Giga\mbox{-}lightyears\!\!")}$

c

$c$

c

$c$

r_{H S}

$r_\mathrm{HS}$

z ≃ 1.6

$z\simeq1.6$ .

Considérons un photon émis par une galaxie éloignée (disons, GN-z11 à redshift ) dans le passé, en direction de la Voie lactée (MW). Ce que la relativité restreinte nous dit, c'est que localement , le photon se déplace toujours dans l'espace à . Initialement, le photon augmente ainsi sa distance de GN-z11 à la vitesse . Cependant, même si le photon se déplace vers nous, sa distance à MW augmente , en raison de l'expansion de l'Univers. À mesure que le photon augmente sa distance au GN-z11, la même expansion le fait reculer du GN-z11 à une vitesse toujours croissante. De plus, en se déplaçant vers le MW, il "surmontera" lentement l'expansion jusqu'à ce qu'il atteigne le point où $z=11.1$ $v=c$ $c$ $v_\mathrm{rec} = c$ . Pendant une période infiniment petite, il se maintiendra à la hauteur. MW, après quoi il commencera à voyager de plus en plus vite, tel que mesuré à partir de MW. Finalement, sa vitesse - toujours dans le cadre de référence de MW - atteindra , point auquel elle aura atteint MW. $c$

Ainsi, même si GN-z11 et MW s'éloignent l'un de l'autre à , nous sommes toujours en mesure de le voir. Ce qui est peut-être encore plus contre-intuitif, c'est que lorsque GN-z11 a émis la lumière que nous voyons aujourd'hui, elle s'est retirée encore plus rapidement, à . $v_\mathrm{rec} = 2.2c$ $v_\mathrm{rec} \sim 4c$

On voit des galaxies de plus en plus lointaines

Il y a cependant une limite à la vitesse à laquelle une galaxie visible pour nous peut reculer, étant donné la distance que la lumière a eu le temps de parcourir depuis la création de l'Univers. La lumière nous vient de toutes les directions, nous sommes donc situés au centre d'une sphère de rayon . Cette sphère est appelée "l'Univers observable", et sa surface (qui n'est pas une chose physique) est appelée l' horizon des particules (d'où l'indice "PH"). Les galaxies à l'horizon des particules reculent à . $r_\mathrm{PH}$ $r_\mathrm{PH}$ $v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

Avec le temps, la lumière de galaxies toujours plus lointaines nous parviendra; c'est-à-dire que augmente. En d'autres termes, l'Univers observable augmente toujours en taille, et aucune galaxie visible aujourd'hui ne quittera jamais l'Univers observable, quelle que soit sa vitesse . $^\dagger$ $r_\mathrm{PH}$

Cependant, puisque les futures galaxies observables seront de plus en plus décalées vers le rouge, leur lumière finira par se déplacer hors du domaine visible et dans des ondes radio de plus en plus longues. De plus, le temps entre chaque photon détecté augmentera, de sorte qu'ils seront gradateur et le gradateur, et donc , dans la pratique, ils seront disparaître.

Explication intuitive

Une bonne analogie pour mieux comprendre pourquoi la lumière peut nous atteindre d'une galaxie qui recule plus vite que la lumière, est le «ver sur une bande élastique»: attachez une bande élastique (extensible à l'infini) (d'une longueur, disons, 10 cm) à un mur et marchez à n'importe quelle vitesse constante de votre choix, par exemple 1 m / s. Avant de commencer, placez votre ver pour animaux de compagnie à l'extrémité près du mur. Il veut revenir vers vous et commence à ramper à 1 cm / s, soit 100 fois plus lentement que vous. Cela vous arrivera-t-il jamais? Si vous le regardez du point de vue du mur, vous et le ver vous éloignez, mais alors que vous reculez à une vitesse constante, le ver, bien que plus lent au début, accélère car il se déplace sur l'élastique, mais la partie de l'élastique entre le ver et le mur augmente de taille. Le reste de l'élastique augmente bien sûr également en taille, mais cela ne le fait pasva vous rejoindre (bien que dans cet exemple, il faudra le ver milliards d' années, à quel point il a perdu patience. Mais si vous marchez à seulement 10 cm / s, il faudra seulement 6 heures) . $10^{26}$

Dans cette analogie, vous êtes le MW, le mur est GN-z11 et le ver est un photon. Maintenant, si vous ne marchez pas à une vitesse constante, mais accélérez également (c'est une analogie avec l'effet de l'énergie sombre), le ver peut vous atteindre ou non, selon vos vitesses. Tout comme il y a une limite à la distance des galaxies que nous pourrons jamais voir.

$^\dagger$ _{Notez que puisque de grandes distances signifient également regarder en arrière dans le temps (puisque la lumière a passé beaucoup de temps à voyager), nous ne voyons pas de galaxies aussi loin, car elles ne s'étaient pas formées si tôt dans l'histoire. Nous voyons cependant le gaz dont sont issues les galaxies, dès 380 000 ans après le Big Bang.}

— pela
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Cela signifie-t-il que la frontière de l'univers observable «recule» à la même vitesse que celle sur laquelle sont placées des galaxies? Cela signifie-t-il que la vitesse d'échappement est constante sur toute la sphère définie par un rayon donné?

— Waldemar Gałęzinowski

@ WaldemarGałęzinowski: Je ne suis pas sûr de comprendre cette question: une galaxie actuellement située à la frontière recule à v = 3,3c. La frontière elle-même s'éloigne en plus de 1c, car avec le temps, nous voyons la lumière des galaxies de plus en plus éloignées (ignorant le fait que nous ne voyons pas de galaxies aussi loin, car elles ne se sont pas encore formées). Concernant votre dernière remarque, il n'y a pas de "vitesse d'échappement", mais si vous voulez dire que la vitesse de récession est indépendante de notre direction, alors oui, cela ne dépend que de la distance.

— pela

Vous dites donc que l'expansion de l'univers est plus rapide que la vitesse de la lumière?

— iMerchant

"En d'autres termes, l'Univers observable augmente toujours en taille, et aucune galaxie visible aujourd'hui ne quittera jamais l'Univers observable, quelle que soit sa vitesse." Dépend de l'équation d'état utilisée. L'horizon des événements dans un univers dominé par l'énergie fantôme se rétrécira.

— Sir Cumference

@ SirCumference: Vous avez raison de ne considérer que les cosmologies standard.

— pela

Au fil du temps, il y a des galaxies qui ne sont actuellement pas dans l'univers observable qui deviendront observables Mais ce n'est pas un clin d'œil soudain. Au lieu de cela, sur des centaines de millions d'années, nous verrons une proto-galaxie évoluer vers une galaxie mature.

Par exemple, il existe une "goutte" d'hydrogène que certains interprètent comme étant l'accumulation d'hydrogène sur un halo de matière noire. Si cette interprétation est correcte, alors la galaxie qui en finit par se former est en dehors de l'univers observable. Mais cela ne le restera pas. Au cours de milliards d'années, l'hydrogène aura formé des étoiles et la galaxie se trouvera dans notre univers observable. Nous ne voyons pas l'apparition soudaine d'une nouvelle galaxie, nous voyons plutôt l'évolution sur des milliards d'années.

Il y a un effet de plus grand décalage vers le rouge. En fin de compte, les galaxies commenceront à reculer assez rapidement pour être décalées vers le rouge en dessous du niveau de détectabilité. Il est suggéré que dans environ 2 billions d'années, seules les galaxies locales seront visibles. Ce n'est pas encore un processus rapide (!)

Ainsi, nous n'observons pas de disparition de galaxies sur un horizon cosmique et ne nous attendons pas à le faire.

— James K
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