Expansión del Universo, ¿no nos llegará nunca la luz de algunas galaxias?

Permítanme presentarles una perspectiva ligeramente diferente a Luboš, aunque básicamente estoy diciendo lo mismo. Desde nuestra ubicación actual podemos definir un área del espacio llamada futuro cono de luz . Esta es la región del espacio-tiempo que está conectada a nosotros por un movimiento menor o igual a la velocidad de la luz. Si dibujamos un diagrama de espacio-tiempo, entonces el cono de luz se ve así:

Cualquier cosa que esté dentro de nuestro futuro cono de luz siempre permanecerá dentro de nuestro futuro cono de luz. Aparte, esta es la razón por la cual nada puede caer en un agujero negro en nuestras coordenadas porque cruzar el horizonte de eventos lo sacaría de nuestro cono de luz. En cambio, vemos que el objeto se congela en el horizonte de eventos.

Pero volviendo al universo: tu argumento de que:

nunca se puede observar que un objeto se mueva más rápido que la luz

es cierto para todo en nuestro futuro cono de luz, pero las partes del universo que se mueven más rápido que la luz en relación con nosotros, y que nunca veremos, nunca estuvieron en nuestro (pasado) cono de luz. Esto básicamente porque el Big Bang no fue una explosión hacia afuera desde un solo punto (como se muestra engañosamente en la mayoría de los documentales de televisión).

Sin embargo, como dice Luboš, si esperamos lo suficiente, incluso las galaxias más distantes eventualmente entrarán en nuestro cono de luz. Probablemente vamos. Esto siempre es cierto para una expansión en desaceleración, e incluso es cierto para una expansión acelerada siempre que$\dot{a}$aumenta más lentamente que$a$. Consulte el artículo Expansión de la confusión para conocer los detalles sangrientos.

Soy consciente de que mi respuesta puede sonar sorprendente, demasiado simple para ser verdad , pero respire hondo antes de votar negativamente. La respuesta tiene poco que ver con la relatividad.

• En SR es el objeto en movimiento el que se acorta, pero el espacio es estable. En tal universo, incluso si un cuerpo retrocede a 2, 3, 30 c, su luz nos alcanzará en algún momento, y el tiempo es corto ya que es simplemente D/C. Eso es porque una vez que se descarga el fotón, lo que hace la fuente es absolutamente irrelevante.

• En un universo donde el espacio no es estable sino que se estira (FLRW) la situación es diferente porque D es creciente. Puede parecer obvio entonces que la luz, en ciertas condiciones, nunca podría alcanzarnos. No es tan:

Es contrario a la intuición , pero no importa qué tan rápido se estire D, la luz siempre nos alcanzará , y aquí encontrarás una buena explicación matemática , por supuesto, en algunos casos tomará muuuucho tiempo. Este no es el caso aquí, ya que la tasa reconocida más rápida es de aproximadamente$\pi$C.

Esto es lo que concede Lubos Motl , sólo como codicilo :

Tal vez también se debería señalar que en un futuro lejano, cualquier galaxia (o el lugar donde vivía antes de quedarse sin energía) finalmente será visible desde la Tierra.

Por una oscura razón, a los cosmólogos les encanta hacer que las cosas simples parezcan complicadas.

Lamento decir que no puedo estar de acuerdo con las respuestas anteriores. Creemos, pero no sabemos con certeza, que la luz de algunas galaxias nunca nos alcanzará. Esto no tiene nada que ver con el hecho de que se están alejando de nosotros a más de la velocidad de la luz. Más bien, se supone que estas galaxias, como nosotros, no se mueven en relación con el marco especial del universo: aquel en el que los grandes cúmulos de galaxias están estacionarios. Parece que se están alejando de nosotros porque el universo se está expandiendo. Y, si hay "energía oscura" (como pensamos actualmente) y esa energía oscura persiste durante el tiempo suficiente, entonces la expansión del universo se acelerará cada vez más con el paso del tiempo. Es esta aceleración de la expansión del universo lo que implica que la luz de galaxias suficientemente distantes nunca nos alcanzará.

Y, en realidad, no se sabe que la luz de galaxias suficientemente distantes nunca nos alcance. Hay (al menos) dos posibles razones para esto: a) estamos equivocados acerca de los detalles de la energía oscura b) el universo no es infinito pero en realidad es finito: algo como (digamos) la superficie de una esfera o rosquilla, encerrada en sí mismo. Si este es el caso, tal vez veamos todas las galaxias. Simplemente no veremos todas las imágenes repetidas de cada galaxia, mientras sigues dando vueltas por la rosquilla.

La velocidad relativa entre dos objetos solo está restringida dentro de la teoría especial de la relatividad. Solo se garantiza que estas restricciones se apliquen en la relatividad general, la teoría del espacio curvo que necesita para la teoría del Big Bang, si el espacio que rodea a los objetos es el espacio-tiempo plano de Minkowski, o al menos puede ser aproximado por el espacio-tiempo plano de Minkowski.

En la práctica, significa que se garantiza que la relatividad especial se cumple localmente, en regiones muy pequeñas del espacio-tiempo que siempre son casi planas si son lo suficientemente pequeñas. Es por eso que la velocidad relativa de dos objetos que simplemente pasan uno al lado del otro no puede exceder$c$. La relatividad especial también se aplicaría (aproximadamente) en regiones mucho más grandes del espacio-tiempo si fueran (casi) planas, si la curvatura de Riemann fuera cero (o pequeña) en todas partes.

Pero si consideras las galaxias distantes que se están alejando muy rápidamente, de manera comparable a la velocidad de la luz o más rápido, alejándose de nosotros debido a la expansión de todo el Universo, entonces la condición del espacio-tiempo plano entre las dos galaxias, nuestro y la de ellos, se viola explícitamente. Es por eso que la restricción de la relatividad especial ya no se cumple.

Tal vez también se debería señalar que en un futuro lejano, cualquier galaxia (o el lugar donde vivía antes de quedarse sin energía) finalmente será visible desde la Tierra. Eso es porque el Universo está envejeciendo y, por lo tanto, podemos ver más lejos.